第 1 章 绪论
1.1 阶梯式溢流坝研究背景
1.1.1 阶梯式溢流坝早期研究回顾
阶梯式溢流坝就是将溢流坝表面做成阶梯状，通过阶梯与水流之间的相互作用消耗水流动能的一种溢流坝面消能工形式。早在公元前 1300 年，古希腊的部分溢洪道结构中就出现了类似阶梯面的原始设计。然而，直到 20 世纪 70 年代，国内外才开始了针对阶梯式溢流坝技术的较为系统的研究。这类系统性研究起步于 1971 年。当时，英国的相关技术人员（以 Essery 等人为首）针对阶梯式溢流坝这一设计做了一些比照性的试验研究，初步验证了该设计的水力性能[1]。1982 年，针对上静水坝（坐落于美国犹他州）的阶梯溢流面设计，美国垦务局进行了水工模型试验，并在之后的工程实践中加以应用[2]。在 1994 年的中国水力发电工程学会泄水工程与高速水流信息网会议上，廖华胜、汝树勋、吴持恭发表了对阶梯式溢流坝水力特性的实验研究成果[3]。同年，唐朝阳进行了阶梯式溢流坝水力特性的数值模拟实验研究[4]。1995 年，韩彩燕利用动量矩方程导出了滑行流发展成均匀流后的水深计算式，从最大消能效果出发，提出了阶梯尺寸的确定方法[5]。这些早期的实验研究激发了日后的研究与技术应用。
1.1.2 阶梯式溢流坝在工程中的运用
20 世纪 90 年代以后，关于该技术的研究成果开始大量涌现。1990 年左右，我国相关研究单位就开始了对该技术的理论研究，并将该类技术运用于工程实例中，例如尤溪水东水电站[6]，尚嘎尼水利工程[7]等均采用了该技术。研究和工程实践表明，将坝面做成阶梯状，具有加快施工进度，进而缩短工期，节省投资的优势[8]。与此同时，在工程运用方面，碾压混凝土(RCC)筑坝技术的发展，大大提高了这种消能工的可实现性，因而该类消能技术的相关研究逐渐受到了人们的广泛关注。基于此，阶梯式溢流坝技术作为一种实用且较为经济的消能技术在国内外的工程中得到了较为广泛的应用。据不完全统计，截至 2010年，世界上已建成的阶梯溢流坝达到 30 余座。
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1.2 阶梯式溢流坝及尾坎研究现状
现如今，阶梯式溢流坝技术的相关研究已不再局限于单一水力特性的理论研究，出现了许多综合性强、实用价值高的理论成果。其中，为使这类消能工设计发挥较大的消能效果，研究人员常常重点关注可能对消能率造成影响的因素。在这种思路下，较为容易控制与比对的坝面下泄水流的单宽流量、对阶梯面旋滚形成有较大影响的阶梯的尺寸、以及与旋滚和坝体结构息息相关的阶梯个数等要素常常成为研究的核心。
1.2.1 阶梯式溢流坝主要研究方向及成果
阶梯式溢流坝的研究方向主要有：
（1）针对消能率的研究：消能率的高低是评价阶梯式溢流坝工作性能的重要依据。这类研究主要有：蒋晓光针对二滩过水围堰的阶梯式消能结构进行了模型实验，并将其计算结果与 New Monksville 大坝的模型实验结果相对比，最后得出了小的阶梯高度与较小的单宽流量适配性较好，较大的单宽流量则建议采用较大的阶梯高度的结论[9]；才君眉等人的研究表明单位宽度下消能效果会随下泄水流流量的增大而有所降低[10]。王强将研究重点放在了坝面顶端的过渡阶梯部分，关注了过渡阶梯阶数对阶梯溢流消能特性的影响，特别关注了过渡阶梯的首级台阶，发现其对阶梯溢流坝的消能效果影响较大，同时通过比对得出了由 2 个台阶组成的过渡阶梯对阶梯溢流坝的消能率最高的结论[11]；HChanson 的实验结果表明消能效果容易随着坝坡的变缓而增大[12]。
（2）针对台阶面附近流态的研究与分析：在台阶面附近，受到台阶形状的影响和限制，水流常常呈现出较为复杂的流态。在 Yasuda 等人的研究中，其上的水流依据流态特征的不同被分为了三类形态：滑行流（或译为滑移流）、过渡流与跌落流。此后这种划分方式得到了国内外学者的认可，并成为了进行此类研究时的一般划分标准[13]。滑行流是泄流过程中的稳定流，国内外学者对其多有所研究；过渡流是指各个阶梯隅角内旋滚与空腔交替出现的现象，最终造成的结果往往是部分阶梯隅角内存在空腔，而其它隅角内形成了旋滚；跌落流则是指下泄水流在重力作用下从上一级台阶上自然跌落。这一跌落过程中下泄水流将呈现水舌状，且水舌和阶梯固壁之间将形成空腔。这样的水舌和空腔是不稳定的，随着上级水流的继续下泄，隅角内的水流很快会发展为旋滚。
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第 2 章 模拟计算理论
2.1 计算流体力学
计算流体力学（英文全称 Computational Fluid Dynamics，简称 CFD），指的是对包含有流体流动（包括流体流动过程中的热传导及相变等）等相关物理现象的系统所做的计算与分析，主要通过计算机数值计算和图像显示以实现功能。CFD 的基本思想可以归结为：把速度矢量场、紊动能场这类原来在时间域及空间域上看做是连续的物理场，代之以有限的、互有关联的离散点上的变量之值的总体集合，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解这些方程组获得场变量的近似值。
计算流体力学可以看做是在流动基本方程的控制下，对现实中所遇到流体进行的适当的简化建模后所进行的数值仿真模拟。任何流体的运动都遵循的 3个基本定律：（1）质量守恒定律；（2）动量守恒定律；（3）能量守恒定律，通过这些数值模拟的“试验”，可以抽取出流态、流动状况等较为复杂的流场内（例如本课题中的气液两相流流场）的各个位置上的基本物理量（如速度矢量、紊动能、能量耗散、温度等）的分布，还可以据此计算出其它物理量，并对计算结果进行进一步分析。
流体的运动可以通过描述流体流动的基本方程及计算域关联的基本模型的状态方程（常常以偏微分方程或积分形式方程表现）来描述。CFD 中把这些方程称为控制方程。在实际科学及工程中，常采用程序设计语言把求解的过程编成适合所要解决的流体流动问题的计算机程序，形成泛用性较强的 CFD 软件，之后根据实际问题的需求，运行相关的求解器，来得到研究所需的数值解。为了完成 CFD 计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于 CFD 的复杂性及计算机硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而对于流体计算问题而言，CFD 本身是具有其明显的系统性和规律性的，因此，比较适合于被制成通用的、适用于大量一般性问题的商用 CFD 软件。这类技术在工程中的运用，不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节省大量建设投资，最大限度地降低开发成本，加快产品投放市场。在本课题中，采用商用 CFD软件，在有限时间内尽可能地尝试不同的设计，降低了研究成本。
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2.2 常见商用 CFD 软件的一般求解过程
使用商业 CFD 软件进行流体数值模拟时，为与本课题的计算及处理相对应，本文将典型的计算及处理过程简要地概括为以下的 4 步：
（1）构建数学模型：由于实际问题具有复杂的边界条件，本课题所面对的问题中的物质形态可能也比较复杂，而且，在整个系统运行的过程中，可能存在较多的能够影响问题发展方向的因素。在进行数值分析时，受到数学计算方法发展的限制以及计算机算力的限制，往往不能够将实际情况中所涉及到的所有物理要素彻底而精准地还原到模拟计算中，而且在本课题的研究中关注的问题常常是整个系统的某一方面，并不需要将所有的相关条件面面俱到（由于实际问题的复杂性，在模拟中考虑所有条件甚至是不可能的），所以需要对所研究的阶梯式溢流坝泄流过程水流流态数值模拟实际的物理问题进行仔细考量，在此基础上对计算所采用的的模型进行适当的简化和抽象，然后转化为方便进行数值模拟计算与后续结果研究的数学模型。这一步主要包括了计算域范围的框定、实际几何特征的简化以及研究所需重点关注的物理要素的确定等过程[69]。在本课题中，主要做出以下简化：
(a)计算域（这里指坝面下泄水流部分和周围空气所组成的流体域）所占的空间一定；
(b)由于坝体主要受下泄水流的力学作用，且水温变化不大，不考虑水体温度和空气温度造成的影响；
(c)将实际中较复杂的上游来流设置为稳定、均匀地以一定的流速向下游流动，以简化计算设置，减少计算时间；
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第 3 章 放大改进模型的模拟研究.............................22
3.1 坝体设计.......................................... 22
3.1.1WES 剖面设计............................. 22
3.1.2 阶梯设置................................. 22
第 4 章 针对放大模型的优化设计...................................31
4.1 优化方案数值模拟计算...........................31
4.2 阶梯面附近流态.............................. 34
第 4 章 针对放大模型的优化设计
4.1 优化方案数值模拟计算
从第 6 部分的计算与汇总结果可以看出，随台阶面上的流量增大，阶梯式溢流坝的消能率将明显降低。显然，在这种规律下，如若上游来流量增大，将显著影响阶梯式溢流坝的消能效果，不利于到达消能的目的。
基于此，尝试对传统的阶梯式溢流坝设计进行改进优化。
如前文所述，为解决阶梯式溢流坝消能率随坝面下泄水流流量增大消能率降低的问题，计划采用阶梯式溢流坝与类似尾坎的消能坎结构结合的优化设计。
初步确定的设置于台阶面上的结构优化方案如图 4.1 所示
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结论与展望
结论
本文结合以往的研究成果，对某实验模型按比尺进行适当放大改进，然后针对阶梯式溢流坝坝面流场及坝体本身进行了数值模拟实验研究。首先对上游不同来流流量下阶梯式溢流坝的坝面泄水过程进行了模拟，并与以往研究进行了比较（主要是消能率等方面）。之后设计并尝试了 4 种优化方案，计算分析了几个优化方案对消能率、紊动能、阶梯面压强等的影响，并探讨了采用优化方案后消能率变化的原因。在此基础上又进行了进一步的优化改进。
通过对以上计算结果的分析与总结，得到了以下主要结论：
（1）流场计算结果显示，随着进入拐角内的流量增大，凹角内的水流将逐渐出现明显旋滚，这与以往研究得到的水舌跌落流和滑移流两种形式是一致的，亦即通过的流量较小时呈现出跌落流状态，反之，当流量较大时呈现出滑行流状态。在一开始的研究中，旋滚边缘距台阶顶点约 0.15m，旋滚中心位于距水平固壁约 0.4m 处，这与以往研究中实测得到的结果基本一致。
（2）消能率计算的结果显示，阶梯式溢流坝的消能效果在上游来流量增大时会明显削弱，这一趋势与以往研究中实测得到的结果一致，此类结果亦验证了模拟计算过程的合理性。
（3）采用优化设计方案后，通过模拟计算的结果可以看出消能率随下泄水流流量增大而降低的现象得到了改善，同时还可以观察到个别优化方案对消能率的改善还要更为显著一些。
（4）优化方案的负压区分布及变化规律与放大模型较为相似，但出现负压的情况比放大模型更严重一些。
（5）采用流固耦合方法后，静力学计算的结果显示，坎状结构底端存在应力值较大的区域。通过网格加密方法可以看出，消能坎底端的尖锐转角附近可能存在应力奇点，在这类点附近容易产生疲劳裂纹，这些裂纹亦容易在结构所承载的荷载作用下增大，甚至最终可能造成结构失效。从位移计算结果看，坎状结构的两端有向下游弯曲的趋势。
参考文献（略）