无侧约束的阶梯三维流动特性及空化与防空蚀研究

Stepped spillway design is commonly used in hydraulic structures with a wide range of applications. At present, many studies have investigated the two-dimensional characteristics of the stepped spillway flow. However, there is little literature on the stepped spillway flow without side wall limit. In this study, based on model experiments, theoretical research and numerical simulation, the there-dimensional characteristics of non-sidewall stepped spillway flow will be investigated. Analyzing the reason of cavitation and providing the reasonable measures to prevent the cavitation damage. This study will be carried out on the model tunnel, the lateral cross diffusion angle, flow velocity, air concentration distribution, bottom pressure and cavitation noise will be synchronously measured. Numerical simulation turbulent model will be used to numerically simulate the distribution of turbulence intensity and turbulent kinetic energy. The calculated results will be compared with the experimental data and verify them, the mechanism of energy dissipation will be discussed. Therefore, a measure to prevent the cavitation damage will be provided and it has a great significance to improve the techniques level of hydraulic engineering project.

阶梯溢洪道在水电工程中的泄洪消能设计中被采用。目前主要是对有边壁约束阶梯二维水力特性的研究，而关于无侧约束的阶梯三维水力特性研究较少。本项目拟采用模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究无侧约束的阶梯的三维水力特性，分析空化产生原因，提出相应防空蚀破坏措施。通过系列模型试验，同步横向扩散角与流量分布、流速场、掺气浓度场、壁面压力场和空化噪声；观测不同来流条件和阶梯尺寸对水力特性的影响；获得流量分布规律计算公式；结合数值模拟，深入分析紊动能分布和紊动能耗散率分布规律，探讨消能机理；并提出防止空化空蚀的有效措施。

阶梯溢洪道的消能原理主要是通过水流底部加糙，增加水流的紊动，提高水流掺气，在阶梯的凹角产生横向旋滚，水流跌落撞击阶梯来达到增加消能的目的。阶梯消能工，在溢洪道或溢流坝的沿程都存在较大的能量耗散，能避免集中式消能工的弊端，使消能建筑物更加安全，可以在一定程度上减小下游消力池的规模。尽管前人对阶梯水流做了很多研究，但受阶梯溢洪道的长度限制，掺气水流并没有达到充分发展，因此得到关于滑移水流的掺气特性，往往集中在发展区。而对掺气充分发展区的水力特性研究较少。因此，本项目在前人研究基础上，通过模型试验和理论分析相结合的方法，对阶梯溢洪道滑移水流掺气发展区上游至充分发展区的掺气特性、流速特性和消能特性及其演进变化规律进行了系统研究。研究发现：1）当紊动边界层达到水深的0.8倍时，掺气水流已经发生；2）以断面掺气浓度为基准，定量将阶梯滑移水流分为三个区域：光滑区（0<x/L<1），掺气发展区（1<x/L<2.5）和充分发展区（x/L>2.5）；研究发现在掺气充分发展区（2.5<x/L<5）范围内，气泡撕裂仍在发生，直至x/L>5区域；3）建立断面平均掺气浓度和最大气泡个数的沿程变化规律的计算公式；4）揭示了不同阶梯高度和植被覆盖下，流速分布和紊动流速分布的计算公式；5）探讨了阶梯掺气水流自表面紊动强度和波速的沿程变化规律；6）揭示了阶梯尺寸、流量和植被覆盖等条件，对沿程阻力系数的影响。本项目在前人工作基础上，专门针对阶梯掺气水流开展系统研究，研究成果可为科学合理设计阶梯溢洪道等提供参考依据。