反拱水垫塘底板缝隙流场三维数值模拟及底板结构非线性静力分析
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摘要
本文以拉西瓦高拱坝反拱水垫塘为研究背景,应用RNG k-ε紊流数学模型,建立了水库—泄水表孔—水垫塘—底板缝隙的三维整体数学模型,采用VOF法处理自由水面。计算分析了水舌冲击区及冲击区下游底板缝隙中的流场分布、压强分布及底板受力的脉动过程,并探究了底板上举力的成因。应用有限元原理建立底板结构模型,分析放空检修期反拱结构在不同水平扬压力作用下的承载能力。
流场计算结果与试验数据进行了对比,二者吻合较好,计算结果可靠。分析认为,水舌冲击区,缝隙内紊动水流来源于入射水舌直接贯入纵缝。水舌冲击区下游,缝隙紊动水流来源于纵缝中水流的潜入。底板上表面力脉动振幅大于下表面力振幅。底板两边的纵缝在底缝中产生了两股横向壁射流,其折冲并相互碰撞,是底板上举力的主要来源。而局部时段底板上、下表面合力波动的不同步,形成了上举力的极值。
结构计算表明,在与工程实际相近扬压力水平下,反拱结构不会发生失稳破坏；在超载扬压力作用下,只要保证拱座无竖向位移,结构不会失稳,但材料可能发生破坏,尤其要注意键槽处的应力集中。
研究成果可供反拱水垫塘、平底水垫塘及消力池设计和研究参考,具有重要的理论意义和应用意义。
Based on the arch invert plunge pool after the high arch dam in the Laxiwa project, three-dimensional unitary model of reservoir, exterior sluicing orifice, plunge pool and gaps between soleplates has been set up in this thesis.the RNG k-εturbulent mathematical model is used and computed the free surface with VOF method. Flow field distribution in gap zones of soleplate both under and downstream of the jetting has been calculated and analysized.The pressure distribution and the fluctuating process of lifting force acting on soleplates has also been considered and discussed.Futhermore,the causes of uplift acting on soleplates has been investigated.The theory of Finite element method is used to set up the structural model of soleplates in order to analysize overload capacity of arch invert structure under different uplift pressure during maintenance period.
Comparisons between the calculting results and experimental results show good consistentence and raliability. Flow field distribution in gap zones comes from the jetting acted on longitudinal gap under jetting zone, and from the undercurrent in longitudinal downstream of the jetting. The amplitude of force on soleplate surface is greater than the underside. The lifting force acting on soleplates comes from the deflected current and the both sides of deflected current encouters with each other in bottom gap.The partial asynchronous of exterior resultant of pulsing forces lead to the extremum.
Structural computation show that inverted-arch structure acted by uplift pressure could be never destroyed in the actual conditions.Acted by the overloading uplift pressure,the structure can keep stable except that skewback generates vertical displacement.However,the materials may be destroyed.Therefore,more attention should be paid to prevent the stress from concentrating in the keyway.
Research results of flow field distribution in gaps provide good guidance in the designing and research of anti-arch plunge pool,flat plunge pool and stilling basin and so on.They are more important and practical.
流场计算结果与试验数据进行了对比,二者吻合较好,计算结果可靠。分析认为,水舌冲击区,缝隙内紊动水流来源于入射水舌直接贯入纵缝。水舌冲击区下游,缝隙紊动水流来源于纵缝中水流的潜入。底板上表面力脉动振幅大于下表面力振幅。底板两边的纵缝在底缝中产生了两股横向壁射流,其折冲并相互碰撞,是底板上举力的主要来源。而局部时段底板上、下表面合力波动的不同步,形成了上举力的极值。
结构计算表明,在与工程实际相近扬压力水平下,反拱结构不会发生失稳破坏；在超载扬压力作用下,只要保证拱座无竖向位移,结构不会失稳,但材料可能发生破坏,尤其要注意键槽处的应力集中。
研究成果可供反拱水垫塘、平底水垫塘及消力池设计和研究参考,具有重要的理论意义和应用意义。
Based on the arch invert plunge pool after the high arch dam in the Laxiwa project, three-dimensional unitary model of reservoir, exterior sluicing orifice, plunge pool and gaps between soleplates has been set up in this thesis.the RNG k-εturbulent mathematical model is used and computed the free surface with VOF method. Flow field distribution in gap zones of soleplate both under and downstream of the jetting has been calculated and analysized.The pressure distribution and the fluctuating process of lifting force acting on soleplates has also been considered and discussed.Futhermore,the causes of uplift acting on soleplates has been investigated.The theory of Finite element method is used to set up the structural model of soleplates in order to analysize overload capacity of arch invert structure under different uplift pressure during maintenance period.
Comparisons between the calculting results and experimental results show good consistentence and raliability. Flow field distribution in gap zones comes from the jetting acted on longitudinal gap under jetting zone, and from the undercurrent in longitudinal downstream of the jetting. The amplitude of force on soleplate surface is greater than the underside. The lifting force acting on soleplates comes from the deflected current and the both sides of deflected current encouters with each other in bottom gap.The partial asynchronous of exterior resultant of pulsing forces lead to the extremum.
Structural computation show that inverted-arch structure acted by uplift pressure could be never destroyed in the actual conditions.Acted by the overloading uplift pressure,the structure can keep stable except that skewback generates vertical displacement.However,the materials may be destroyed.Therefore,more attention should be paid to prevent the stress from concentrating in the keyway.
Research results of flow field distribution in gaps provide good guidance in the designing and research of anti-arch plunge pool,flat plunge pool and stilling basin and so on.They are more important and practical.
引文
[1]Li Youmei. Dam Construction in China:Past, Present, Future. Hydro.Review Worldwide,2000(4)
[2]武汉水利电力学院.成都科技大学.水利工程施工[M].第二.北京：水利电力出版社,1985
[3]崔广涛,彭新民,杨敏.反拱型水垫塘—窄河谷大流量高拱坝消能工的合理选择[J].水利水电技术,2001,32(12)：1-3
[4]陈长植,茅泽育,李春华,孙建.“九五”国家重点科技攻关子题项目：溪洛渡水电站水垫塘优化布置与底板稳定性试验研究报告[R].96-221-05-01-02,北京：清华大学水利水电工程系,1999年12月
[5]李玉柱,孙建.“九五”国家重点科技攻关子题项目：小湾水电站高拱坝大流量泄洪消能关键技术研究,小湾工程水垫塘优化布置动床模型试验研究[R].96-221-05-02-02,北京：清华大学水利水电工程系,1999年9月
[6]彭新民,梁勇,杨敏.反拱型水垫塘底板的结构型式与等效荷载的试验研究[J].水利水电技术,2001.12,32(12)：27-28
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