尼雷尔水电站表孔消力池嵌槽体型研究

作     者：杨浩宇 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尹进步

授予年度：2022年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：尼雷尔水电站 大涡模拟 嵌槽式消力池 临底流速 脉动压强均方根 

摘      要：嵌槽式消力池是基于传统平底式消力池的一种新型消能工,区别与传统平底消力池在于使用最低点低于消力池底板高程的一段或者多段圆弧连接坝趾末端和消力池池首,利用圆弧改变消力池临底水流的流向,使临底水流脱离消力池底板,可有效降低临底流速并且克服传统反弧平底消力池的不足。在已建工程中的应用情况良好,但相关研究资料偏少。本文基于尼雷尔水电站模型试验,结合大涡模拟湍流模型的数值模拟计算结果,对本工程嵌槽式消力池水力特性展开深入研究。主要结论如下:(1)结合模型试验资料,利用FLOW-3D软件进行数值模拟,发现数值模拟结果与模型试验的各项水力学指标吻合较好,故采用基于大涡模拟湍流模型的数值模拟方法对此嵌槽式消力池进行研究是合理可信的。(2)在嵌槽的作用下,临底高速水流具有了一个向上速度分量,与消力池池首的剧烈紊动水体发生碰撞,促进流速的衰减,而非沿着消力池底板向下游高速流动,故有效减小了高速水流的覆盖范围,并降低了底板上的最大临底流速,进而减小了消力池底板发生磨蚀破坏的可能性。这一作用在流能比较大时表现得尤为明显。(3)在流能比较小时,嵌槽式消力池的时均压强明显小于平底式消力池,当流能比较大时,嵌槽结构降低了消力池的临底流速,动能转换成压能,因此嵌槽式消力池中的时均压强较大。嵌槽式消力池中嵌槽的脉动压强整体小于平底式消力池,而大流能比时反弧段的脉动压强略大于平底式消力池,但不会造成消力池底板的破坏。(4)嵌槽结构的出现并未明显改变消力池脉动压强的概率密度函数和功率谱密度曲线的分布规律,在平底式消力池中结合概率密度函数估计最大脉动振幅值的方法依然适用,嵌槽式消力池中也不易发生因为脉动压强而产生的共振破坏;在分析脉动压强相关特性的基础上,发现嵌槽式消力池对于板块尺寸的要求略低于平底式消力池。(5)在上述研究基础上,利用数值模拟研究方法,深入分析了在不同嵌槽挑角、不同嵌槽深度时的消力池水力特性。嵌槽挑角较大时,消力池中水体紊动更为剧烈,出池流速也明显更小,但嵌槽挑角过大时,消力池中前部的脉动压强均方根也会过大;随着嵌槽深度的增大,消力池的脉动压强均方根逐渐减小,但嵌槽深度过大时,会影响到消力池内的三元水跃。本文研究结果可为本工程提供实际指导,并为类似工程体型优化提供重要参考。