【摘要】：自由跌水的水流具有明顯的三維性和紊動性,水舌在跌落過程中容易對下游河床造成嚴(yán)重的沖刷破壞,因此自由跌水及相關(guān)問題的研究一直是國內(nèi)外專家學(xué)者研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文首先對跌水相關(guān)方面的理論試驗(yàn)、數(shù)值模擬和水墊消能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧和總結(jié),針對自由跌水底板沖刷嚴(yán)重及消能效率低等不足,提出了折坡水墊消能的概念,并以某實(shí)際工程為背景,采用理論分析,模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法對折坡水墊的水力特性進(jìn)行了初步的研究,本文主要的研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)對折坡水墊進(jìn)行了多組模型試驗(yàn),選擇現(xiàn)象較為明顯的試驗(yàn)結(jié)果,對其進(jìn)行流態(tài)特性分析。發(fā)現(xiàn)由于坡度底板的作用,水舌入水沖擊底板后往下游的沖擊射流現(xiàn)象明顯,而往上游的回水現(xiàn)象得到了有效的控制。隨著流量的增大在水墊區(qū)內(nèi)形成更加明顯的大尺度回旋現(xiàn)象。(2)通過對有無跌坎兩個模型試驗(yàn)流態(tài)特性分析,發(fā)現(xiàn)相同條件下兩個模型的流態(tài)存在明顯的差異。無跌坎時水舌入水均在沖擊底板產(chǎn)生大量的氣泡,并在水墊區(qū)發(fā)生劇烈的回旋翻滾現(xiàn)象,有跌坎時水舌入水后產(chǎn)生的氣泡未直接沖擊到底板上,大量的氣泡由于底部多了一“軟水墊”作用。在水墊底部產(chǎn)生一個凹型的氣泡底面,迅速往上抬升發(fā)生劇烈翻滾現(xiàn)象,在水墊區(qū)形成明顯的一個回旋區(qū)。(3)從折坡水墊消能機(jī)理分析入手,選擇合理的消能效率計算公式進(jìn)行不同工況下消能效率的計算。結(jié)果表明折坡水墊的消能效果較好,消能效率高于85%,在流量較小時其消能率高達(dá)95%左右,比無水墊情況下的消能率提高30%左右。(4)采用k~ε雙方程紊流模型結(jié)合VOF模型對不同流量下折坡水墊進(jìn)行數(shù)值模擬,計算結(jié)果與模型試驗(yàn)相吻合。通過對數(shù)值模擬計算結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn),水墊區(qū)底板的壓力及臨底流速隨流量的增大而增大。壓力最大值出現(xiàn)在水舌沖擊底板處和水墊區(qū)尾坎底部,且由于折坡水墊的作用下游水流平穩(wěn),最大流速為0.3 m/s。(5)對相同條件下有跌坎折坡水墊進(jìn)行了數(shù)值模擬,計算結(jié)果表明有跌坎折坡水墊區(qū)域底板上的壓力最大值較無跌坎折坡水墊的壓力值減小20%左右,且其最大值出現(xiàn)在水墊尾坎底部。有跌坎情況下大量的水體的流線呈下凹型,在未達(dá)到水墊區(qū)底部便出現(xiàn)向上抬升的現(xiàn)象。水墊區(qū)底部形成一動水墊效應(yīng),大大減小了水舌對水墊區(qū)底部的沖擊,臨底流速大大降低,說明“軟水墊”效果明顯。
【學(xué)位授予單位】：西華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV135.2
【圖文】：

控制上游渠道正常水位、流量的咽喉，能夠有效維持上游正常③豎壁，即高程驟降或落差集中處的跌水墻，根據(jù)實(shí)際工程地形不同可設(shè)置為傾斜式兩種。④消力池，位于豎壁下端，下游渠道的上端，主要用于削減水舌的沖擊能量，，保護(hù)下游渠道。⑤出口連接段，該段與消力池相連，水流經(jīng)消力池后進(jìn)入出口連接段，該段主出流，使水流平穩(wěn)的流入下游渠道中。單級跌水雖只作一次跌落，但是其整個跌落過程是完整的、系統(tǒng)的，且其結(jié)構(gòu)簡以單級跌水為典型對跌水的流態(tài)、流速、跌水長度、沖擊壓力、自由液面消能項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行更加深入的研究。因此，本文選擇單級自由跌水進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖 1.2 多級跌水結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1.2 Schematic diagram of multi-stage drop Structure隨著人們對跌水研究的不斷深入，可以發(fā)現(xiàn)跌水的跌落過程伴隨著較為復(fù)雜的，以單級自由跌水的跌落過程為例，如圖 1.1 所示，其跌落過程主要涉及三個過上游水流從豎壁流出以水舌的形式與空氣接觸；二是水舌以射流的形式跌入下在入水處或射流沖擊處卷吸氣體并與入射周圍水體摻混；三是射流沖擊底板，成沖擊射流后沿下游出流。由此可見，跌水的流況較為復(fù)雜，不僅包含多相流問及到邊界突失等問題，對跌水進(jìn)行較為全面的分析研究，需要結(jié)合模型試驗(yàn)和。因此，本文結(jié)合實(shí)際工程，以單級自由跌水為研究對象，對折坡水墊的水力了初步的研究和探討。 跌水研究現(xiàn)狀基于跌水消能、量水和減緩流速等功能特點(diǎn)，跌水在農(nóng)田水利、市政跌水、生計等各個工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。近年來國內(nèi)外大量的專家和學(xué)者對自由相關(guān)內(nèi)容做了大量的科學(xué)研究和實(shí)踐，豐富了跌水研究的理論知識和工程實(shí)際

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2721627