溢洪道转弯段消力池水力特性优化模拟

doi:10.11988/ckyyb.20230745

长江科学院院报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (12): 91-100.DOI: 10.11988/ckyyb.20230745

溢洪道转弯段消力池水力特性优化模拟

史修府¹^,²(), 牧振伟¹^,²(), 吕智³, 张猛强¹^,², 张红红¹^,²

¹ 新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052
² 新疆农业大学新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室,乌鲁木齐 830053
³ 塔城地区水利水电勘察设计院技术质量部,新疆塔城 834799

收稿日期:2023-07-10 修回日期:2023-09-06 出版日期:2024-12-01 发布日期:2024-12-01
通信作者:
牧振伟(1973-),男,河南南阳人,教授,硕士,博士生导师,研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:xjmzw@163.com
作者简介:
史修府(1998-),男,江苏泗阳人,硕士研究生,研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:jssysxf@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52269019); 国家自然科学基金项目(51769037)

Simulation on Optimizing Hydraulic Characteristics of Stilling Pool in Turning Section of Spillway

SHI Xiu-fu¹^,²(), MU Zhen-wei¹^,²(), LÜ Zhi³, ZHANG Meng-qiang¹^,², ZHANG Hong-hong¹^,²

¹ College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
² Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Project Safety and Water Disaster Prevention, XinjiangAgricultural University, Urumqi 830053,China
³ Technical Quality Department, Water Conservancyand Hydropower Survey and Design Institute of Tacheng District, Tacheng 834799,China

Received:2023-07-10 Revised:2023-09-06 Published:2024-12-01 Online:2024-12-01

摘要/Abstract

摘要：

溢洪道转弯段消力池受弯道离心力和惯性力影响,往往会出现流态不佳、两岸水深和流速分布不均等不良水力现象。为探索该复杂水流问题,以新疆XBT水库溢洪道消力池为研究对象,设计17个模拟方案,将流态、水深、平均流速和消能率作为研究指标进行分析与评价。研究表明:不同模拟方案对转弯段消力池内部水力特性影响不同;为改善转弯段消力池内不良水力现象,将池深加深至6.55 m、采用矩形敞口出口型式并联合9根交错糙条可取得最佳流态,即中后段壅水问题得到解决并消除了凹岸水流溢出边墙现象,此时凹岸水深相较原方案降低30.22%,两岸水位差仅为0.02 m;通过对消力池内典型断面平均水深和动能计算,消力池出口断面平均水深相较原方案降低了49.97%,消能率由18.97%提高至62.63%。

关键词: 转弯段消力池, 辅助消能工, 水力特性, 消能率, 数值模拟, 溢洪道

Abstract:

Affected by corner centrifugal force and inertial force, stilling pool at the turning section of spillway often exhibits unfavorable flow conditions characterized by uneven water depth and flow velocity distribution. To address this complex flow issue, we conducted simulations on stilling pool at the turning section of the spillway of XBT reservoir in Xinjiang. We designed 17 simulation schemes and selected flow pattern, water depth, average flow velocity, and energy dissipation rate as evaluation indices. Results indicate that the hydraulic characteristics of the turning-section stilling pool vary in different simulation schemes. To mitigate adverse hydraulic phenomena in the stilling pool, deepening the pool depth to 6.55 m, adopting a rectangular open outlet type, and equipping 9 staggered rough strips can achieve optimal flow condition. This configuration resolves the backwater problem in the middle and rear sections and eliminated overflow along the walls. Notably, the water depth at concave bank declined by 30.22% compared to the original scheme, with a marginal water level difference of only 0.02 m between the two sides. According to calculation results of the average water depth and kinetic energy of typical section in the stilling pool, the average water depth at the outlet section decreased by 49.97% from the original scheme, while energy dissipation rate enhanced from 18.97% to 62.63%.

Key words: stilling pool in turning section, auxiliary energy dissipator, hydraulic characteristics, energy consumption rate, numerical simulation, spillway

中图分类号:

TV651.1溢洪道

史修府, 牧振伟, 吕智, 张猛强, 张红红. 溢洪道转弯段消力池水力特性优化模拟[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(12): 91-100.

SHI Xiu-fu, MU Zhen-wei, LÜ Zhi, ZHANG Meng-qiang, ZHANG Hong-hong. Simulation on Optimizing Hydraulic Characteristics of Stilling Pool in Turning Section of Spillway[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024, 41(12): 91-100.

图/表 15

图1 XBT水库溢洪道和转弯段消力池结构示意

Fig.1 Structure of the spillway of XBT Reservoir and stilling pool at turning section

图2 转弯段消力池断面和测点布置

Fig.2 Arrangement of sections and measuring points in the stilling pool at turning section

表1 数值模拟方案

Table 1 Numerical simulation schemes

方案	辅助消能工	池深/m	出口型式
原方案	无	5.80	梯形非敞口
1	无	6.30	梯形非敞口
2	无	6.55	梯形非敞口
3	无	6.80	梯形非敞口
4	无	7.05	梯形非敞口
5	无	6.30	梯形非敞口
6	无	6.30	矩形敞口
7	无	6.55	矩形敞口
8	无	6.80	矩形敞口
9	无	7.05	矩形敞口
10	无	7.30	矩形敞口
11	3个梯形墩	6.55	矩形敞口
12	9个梯形墩	6.55	矩形敞口
13	12个梯形墩	6.55	矩形敞口
14	3个梯形墩+3根糙条	6.55	矩形敞口
15	3根糙条	6.55	矩形敞口
16	6根糙条	6.55	矩形敞口
17	9根糙条	6.55	矩形敞口

图3 转弯段消力池辅助消能工布置型

Fig.3 Arrangement of auxiliary energy dissipation for the stilling pool

图4 转弯段消力池及糙条细部网格划分

Fig.4 Grid division of the stilling pool and rough strips

图5 转弯段消力池模型试验和数值模拟结果对比

Fig.5 Comparison between model test and numerical simulation results

图6 模型试验和数值模拟平均水深与平均流速对比

Fig.6 Model test and numerical simulation results of average water depth and flow rate

图7 转弯段消力池池深优化水流流态云图

Fig.7 Cloud diagram of flow in the stilling pool with optimized depth

表2 转弯段消力池5#—12#断面流速分布

Table 2 Flow rate distribution of section 5# -12 # in turning section

方案	断面流速/(m·s^-1)
方案	5^#	6^#	7^#	8^#	9^#	10^#	11^#	12^#
4	1.98	2.11	2.85	3.09	3.12	3.15	3.16	3.05
5	1.64	1.80	2.63	2.86	2.65	2.36	2.59	2.35

图8 转弯段消力池出口优化典型断面平均水深注:方案6中14#、15#水深,为断面最大水深。

Fig.8 Average water depth of typical section of stilling pool with optimized outlet

表3 方案11—方案13下消力池3#—14#断面水深和水位差分布

Table 3 Water depth and water level difference in stilling pool 3 #-14 # under scheme 11-13

断面	平均水深/m			最大水深/m			两岸水位差/m
断面	方案 11	方案 12	方案 13	方案 11	方案 12	方案 13	方案 11	方案 12	方案 13
3^#	3.43	3.37	3.63	3.64	3.74	3.85	0.39	0.72	0.43
4^#	3.41	2.87	3.47	3.81	3.61	3.71	1.03	1.65	0.58
5^#	3.57	3.07	3.73	3.92	3.66	3.83	0.88	1.47	0.07
6^#	3.60	3.42	3.84	3.97	4.00	4.22	0.81	1.18	0.38
7^#	3.24	3.71	3.98	3.52	4.13	4.11	0.66	0.84	0.14
8^#	3.32	3.95	4.03	3.74	4.13	4.36	0.90	0.52	0.47
9^#	3.51	3.88	4.14	3.99	4.19	4.68	0.97	0.51	0.76
10^#	3.79	3.72	4.19	4.25	4.23	4.94	0.90	0.81	1.00
11^#	4.15	3.79	4.24	4.48	4.18	5.02	0.76	0.46	1.01
12^#	4.26	3.84	4.33	4.68	4.14	5.09	0.97	0.20	1.07
13^#	4.36	3.77	4.50	4.87	4.12	5.30	1.20	0.28	1.27
14^#	4.41	4.15	4.46	4.98	4.36	5.35	1.17	0.37	1.30

图9 方案14—方案17下消力池典型断面参数对比情况

Fig.9 Comparison of typical sectional parameters of stilling pool under scheme 14-17

图10 最优方案下消力池水流流态

Fig.10 Flow pattern of the stilling pool under the optimal scheme

图11 最优方案下消力池内典型断面水面横向分布注:0.7表示水汽比为7∶3,即该断面70%的水面线,无单位。

Fig.11 Typical cross-section transverse distribution of water surface in the stilling pool under the optimal Scheme

图12 最优方案和方案7与原方案平均流速对比

Fig.12 Comparison of average flow rate among the optimal scheme, scheme 7, and the original scheme

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