摘要
闸站结合工程由水闸和泵站组合而成，两者共用引河和进、出水池，兼有水闸和泵站的功能，实现了布置紧凑、占地少、节约成本的目的。该布置方式在平原地区老旧泵站和水闸的提升改造进程中发挥着重要作用。然而，闸站结合工程在不同运行工况下存在主流向两侧偏流的特点，容易在前池内产生漩涡、回流和横向流速等不良流态。导流墙是调节前池流态的一种重要的工程措施，其设计的好坏关系到闸站结合工程运行安全和经济效益。 本文以西淝河闸站结合工程为研究对象，重点研究开孔导流墙这一新型结构对闸站结合工程前池内进水流态的影响，并进一步对开孔参数进行优化。目前针对闸站结合工程前池水流流动特性的研究存在以下问题：（1）尽管计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法在此类研究中被广泛采用，但现有文献中很少讨论计算域选择对计算精度的影响；（2）针对开孔导流墙的整流效果，现有研究缺乏系统性的深入分析；（3）当前的优化研究主要集中在抽排工况下进水流态的改善，而对于自排工况下的影响考虑不足。这导致了优化过程往往只侧重于单一评价指标，未能全面综合抽排和自排工况下的多个评价指标。本研究通过综合考虑各个评价指标，提出一种全面的优化方法，以期达到在不同工况下均能优化水流流态的目标。基于上述问题，本文的主要研究内容和结论如下： （1）CFD计算域的确定。针对计算域对CFD计算结果的影响问题，采用单因素分析法设计方案，分别分析上、下游边界位置对各工况CFD计算结果的影响规律，在保证计算精度的前提下，选取更小的计算域。进一步将优选的计算域CFD计算结果与物理模型试验结果进行对比，得到以下计算域的推荐范围：进口边界设置在上游引渠段，其长度取50m(17.241D0)，对于出口边界，抽排工况下设置在进水流道延长段，其长度取14.5m(5D0)，自排工况下设置在闸室延长段，其长度取14.5m(5D0)，可以兼顾CFD计算的准确性和计算效率。 （2）导流墙开孔参数对前池流态的影响研究。针对开孔导流墙的整流效果问题，以导流墙上开单孔的结构为研究对象，采用单因素分析法和CFD计算法研究了开孔尺寸、横向位置和纵向位置对前池流态的影响。研究结果表明，在抽排工况下，开孔尺寸对泵站前的轴向流速分布均匀度影响较小，而在自排工况下，开孔尺寸的增大可以显著提高轴向流速分布均匀度。此外，开孔位置的横向和纵向变化对回流区面积和位置产生了显著影响，有助于优化闸站的过水性能。 （3）导流墙开孔参数的优化研究。针对导流墙开孔参数优化问题，基于CFD数值模拟仿真技术，采用正交试验的方法设计试验，对闸站结合工程在自排和抽排工况下各进行25次数值模拟试验，并用变异系数法综合自排和抽排工况下前池流态以及通航条件的评价指标，最终对试验结果进行响应面分析，建立了导流墙开孔参数与综合评价指标的函数响应关系，采用最速上升法求得最优开孔参数。结果表明，优化后的开孔可以兼顾闸站结合工程自排和抽排的前池流态，相比于导流墙不开孔的情况6#进水流道轴向流速分布均匀度提高了6.6%，7#闸室轴向流速分布均匀度提高了5.2%，最大横向流速从0.32m/s降低到0.21m/s降低34.4%；本研究可为闸站工程进出水结构水力特性分析、优化设计和整流措施选取等提供参考和技术支持。
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