水垫塘三元流态及消能特征的数值和实验研究1-力学学报.pdf

第 30 卷 第 1 期 力 　学 　学 　报 Vol. 30 , No , 1 1998 年 1 月 ACTA MECHAN ICA SIN ICA Jan. , 1998 水垫塘三元流态及消能特征的 数值和实验研究1) 许唯临 　　　廖华胜 　　　杨永全 　　吴持恭 ( 四川联合大学高速水力学国家重点实验室, 成都 610065) 　　摘要 　采用数值模拟和实验测试相结合的方法对水利工程中高拱坝泄洪水垫塘三元流场进行研究. 获得了详细的流态特征 , 得到了水垫塘三元典型流态概化图. 研究了水垫塘消能特性 , 并据此将塘 内水体划分为剪切消能区、撞击消能区和混掺消能区. 计算和实验所得的速度场及底板最大冲击动 压相比较 , 二者基本一致. 关键词 　水垫塘 , 流态 , 消能特征 引 　　言 随着世界上修建的高坝日益增多 , 其泄洪消能问题已成为水工水力学的一项重要的研究内 容. 在各种消能方式中 , 应用最广泛的是挑流消能. Mason 于 1982 年统计了近 30 年世界上 61 个国家修建的 370 座泄洪消能工程[1 ] , 其中有 183 座采用了挑流消能方式 , 占49 %. 而据 郭子中 1987 年的统计[2 ] , 我国近 30 年修建的泄洪消能工程中 , 有 58 %属于挑流消能. 凡挑 流消能 , 坝下游均有消能水垫. 对于一些高水头大型工程 , 为确保建筑物及下游岸坡的安全 , 需花费巨资修建二道坝和混凝土衬砌的消能水垫塘. 这时 , 水垫塘的合理设计便成为工程设计 中的一项重大技术问题. 解决水垫塘的水力设计问题 , 其根本途径在于深入研究高速水流在水 垫塘中的扩散衰减规律及其能量的转换耗散机理. 迄今为止 , 对水垫塘内的水流形态和消能特 征尚缺乏全面的认识. 由于传统水力学方法难以解决这一问题, 故本文采用紊流数值模拟和现 代测试技术 , 对水垫塘流场进行研究 , 以期对水垫塘流态及消能特征有一个基本的认识. 本文对小湾电站水垫塘的一种泄洪工况进行了三元数值模拟和三元速度场测试 , 对拉西瓦 电站水垫塘的五种泄洪工况进行了三元数值模拟和消能特性的归纳分析. 1 　数学模型 对二维水垫塘或冲刷坑的数值模拟表明[3sim 6 ] , 湍流的双方程模型是模拟此类流动的有力 ε 工具. 因此 , 这里的数学模型采用三元 k - 双方程模型 , 其基本方程如下 连续性方程 Ui ( ) = 0 1 x i 动量方程 ( ) U u ′u ′ j 1 p i j