低佛氏数下扭面式消能墩消能机理研究.doc

低佛氏数下扭面式消能墩消能机理研究泄水建筑物作为水利工程建设管理最为重要的一部分,其下游消能防冲一直是工程安全运行的关键,但是对于大量低水头水利工程,水流佛氏数低,消能率不高,易对下游河床造成冲刷威胁,因此如何高效解决低佛氏数下水流消能防冲问题是低水头水利工程亟待解决的重要课题之一。本文基于挑流消能、漩涡消能的原理,在以往常规消能墩基础上提出一种新型的辅助消能工——扭面式消能墩。通过水工物理模型试验与三维数值模拟相结合的方法对消能墩水力特性进行了分析,深入研究了其周围流场分布、流速变化和涡量分布等情况。针对扭面式消能墩对水流流场的改变情况,采用激光粒子测速仪(PIV,ParticleImageVelocimetry)对墩体不同部位流经水流进行测量,结果表明,消能墩对于水流流场的调整,主要靠墩体顶部斜面和两侧扭面来实现,通过把平顺的水流改变流向,使得流动过程中主动产生漩涡,不同流速水流相互剪切摩擦,从而对水流能量进行稳定的耗散,论证了扭面式消能工体型的合理性。在消能墩对水流流场改变研究的基础上,对墩体周围区域的涡量场进行进一步分析,结果表明水流在经过扭面式消能墩后,墩后水流涡运动剧烈,水流紊动强度明显增强,水体中能量耗散加快。在物理模型试验的基础上,采用数值模拟的方法对试验工况下消能墩流场特性进行了模拟计算,得到了墩体周围区域流场分布云图和流速矢量图,并且在数值模拟结果中,提取特定断面垂线流速与试验值进行比较,两者结果基本吻合,由此表明数值模拟精度较高,基本能够准确反映扭面式消能墩对于水流流场的改变情况,进一步为扭面式消能墩在工程中的应用提供了可靠的依据。研究成果表明,扭面式消能墩设计方案的提出,为低佛氏数下消能提供了一种新型可行的方案,在后期的开展研究中,可进一步通过优化墩体体型,以达到更好的消能效果。