高拱坝下游水垫塘流场的数值模拟
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摘要
以溪洛渡水电站水垫塘作为研究背景，应用二维和三维的RNGκ-ε紊流数学模型，对溪洛渡水电站反拱水垫塘和平底水垫塘的流场进行了数值模拟。其中二维数值模拟采用两相流的VOF方法，三维数值模拟采用“刚盖法”处理自由水面。
二维数值模拟研究给出了表深孔水舌从空中抛射，碰撞，下泄至水垫塘、并发展到塘内流动稳定的全过程，给出了流动稳定后水垫塘的流速矢量和底板压强分布、水垫塘底板最大压强和近壁最大流速的脉动过程。
三维数值模拟研究给出了两种水垫塘内，纵剖面、横剖面和水平剖面上的流速矢量和流线图，流速沿垂向和纵向的分布，以及水垫塘壁面压强的空间分布图，给出了塘内的水流流态、流速场和压强场的特性，并与相应的实测值进行了详细对比，两者吻合很好，说明计算结果可靠。将反拱水垫塘和平底水垫塘的计算结果进行详细的比较。结果表明，在水舌入水区，反拱水垫塘的流态和底板受力较好，在入水区上下游，平底水垫塘的流态和底板受力较好。研究成果为水垫塘的设计和工程应用提供了参考，具有重要的现实意义。
The numerical simulation was made to the flow field of the anti-arch plunge pool and the flat one based on the Xi Luodu arch dam by applying 2-d and 3-d RNG k-ε turbulence model.
The 2-d numerical simulation computed the free surface with VOF method, while the 3-d numerical simulation applied the rigid surface.
The 2-d numerical research gives the whole process of the flow movement which includes jet going from the exit or impacting in air, then into the plunge pool and developing to the flow stabilization, and gives the velocity vectorgraph, the wall pressure distribution and the fluctuating process of top wall pressure and the maximal flow velocity near the wall.
The 3-d numerical research gives the velocity vectorgraph and streamline on different vertical sections, transects and horizontal sections in the two kinds of plunge pool, the vertical and longitudinal distribution of velocity and the solid drawing of pressure distribution on the wall, and the calculated results have a good agreement with the experiment from Xi Luodu, so the results is reliable. The text also compared the calculate results of the arch invert plunge pool with that of the flat-bottom one detailedly, It shows that the flow station and the pressure distribution on the wall of the anti-arch plunge pool are better than that of the flat-bottom plunge pool in the jet-entering area, while the flow station and the pressure distribution on the wall of the flat-bottom are better upstream and downstream the jet-entering area. The research provides an reference for the design and engineering, and has a very important signification.
二维数值模拟研究给出了表深孔水舌从空中抛射，碰撞，下泄至水垫塘、并发展到塘内流动稳定的全过程，给出了流动稳定后水垫塘的流速矢量和底板压强分布、水垫塘底板最大压强和近壁最大流速的脉动过程。
三维数值模拟研究给出了两种水垫塘内，纵剖面、横剖面和水平剖面上的流速矢量和流线图，流速沿垂向和纵向的分布，以及水垫塘壁面压强的空间分布图，给出了塘内的水流流态、流速场和压强场的特性，并与相应的实测值进行了详细对比，两者吻合很好，说明计算结果可靠。将反拱水垫塘和平底水垫塘的计算结果进行详细的比较。结果表明，在水舌入水区，反拱水垫塘的流态和底板受力较好，在入水区上下游，平底水垫塘的流态和底板受力较好。研究成果为水垫塘的设计和工程应用提供了参考，具有重要的现实意义。
The numerical simulation was made to the flow field of the anti-arch plunge pool and the flat one based on the Xi Luodu arch dam by applying 2-d and 3-d RNG k-ε turbulence model.
The 2-d numerical simulation computed the free surface with VOF method, while the 3-d numerical simulation applied the rigid surface.
The 2-d numerical research gives the whole process of the flow movement which includes jet going from the exit or impacting in air, then into the plunge pool and developing to the flow stabilization, and gives the velocity vectorgraph, the wall pressure distribution and the fluctuating process of top wall pressure and the maximal flow velocity near the wall.
The 3-d numerical research gives the velocity vectorgraph and streamline on different vertical sections, transects and horizontal sections in the two kinds of plunge pool, the vertical and longitudinal distribution of velocity and the solid drawing of pressure distribution on the wall, and the calculated results have a good agreement with the experiment from Xi Luodu, so the results is reliable. The text also compared the calculate results of the arch invert plunge pool with that of the flat-bottom one detailedly, It shows that the flow station and the pressure distribution on the wall of the anti-arch plunge pool are better than that of the flat-bottom plunge pool in the jet-entering area, while the flow station and the pressure distribution on the wall of the flat-bottom are better upstream and downstream the jet-entering area. The research provides an reference for the design and engineering, and has a very important signification.
引文
[1] 邹丽春，杨光亮，喻建清．小湾水电站工程关键技术研究[J]．水力发电，2006(11)，vol．32(11)：9-11
[2] 孙建，李玉柱．再分析卡里巴拱坝下游河床冲刷严重的原因[J]．长江科学院院报，2001，vol．18(4)：3-6
[3] 杨敏．高坝消力塘水动力特性与防护结构的安全研究[D]：[博士学位论文]．天津：天津大学，2003
[4] 孙建．高拱坝坝身泄洪和消能防冲[M]．西安：西北工业大学出版社．2002(8)
[5] 孙建，陈长植．反拱水垫塘与平底水垫塘稳定性诸方面之比较[J]．长江科学院院报，2003，vol．20(4)：3-6
[6] 杨敏，练继建，王继敏等．水垫塘反拱形底板局部稳性分析[J]．天津大学学报．2004，vol．37(7)：605-609
[7] 潘家铮．西班牙的双曲拱坝建设[M]．天津：天津大学，1980
[8] 郭志怀．溢流坝下的反拱式消力池设计[R]．天津：天津大学水利系．1980
[9] 艾克明．拱坝泄洪与消能的水力设计和计算[M]．北京：水利电力出版社，1987(8)
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[11] 王继敏，王佩璜．长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用[J]．水利水电技术，2002，vol．33(7)：10-12
[12] 陈长植．溪洛渡水电站高拱坝大流量泄洪消能关键技术研究[R]．溪洛渡水电站水垫塘优化布置与底板稳定性试验研究子题科研成果报告，96-221-05-02-02．北京：清华大学水利水电工程系，1999(12)
[13] 肖白云．300级高拱坝枢纽设计关键技术研究[R]．溪洛渡水电站高拱坝大流量泄洪消能关键技术专题研究报告，96-221-05-02．成都：国家电力公司成都勘测设计研究院，2000(6)
[14] 杨永全，许唯临，廖华胜．溪洛渡水电站高拱坝大流量泄洪消能关键技术研究[R]．溪洛波水电站泄洪消能方案研究子题科研成果报告，96-221-05-02-05．成都：四川大学高速水力学国家重点实验室，1999(11)
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[16] 孙建，陈长植．反拱水垫塘拱端力变化规律的试验研究[J]．水力发电学报，2002(4)：51-60
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