基于低弗氏数水流下折坡渐扩式消力池的优化

底流消能中在遇坡度情况下通常采用折坡扩散型消力池,其消能效果较好,对地形适应性强,在同等水利条件下,需要的池深更小,更经济高效。折坡式消力池的优化及应用还存在难题,该体型在低弗氏数水流下的消能与具体工程的应用具有一定研究价值。本工程水流为低弗劳德数水流,通过模型试验,在不同工况下,对折坡扩散式消力池的水深、压强、消能率等水力特性做了研究,针对三种不同体型比较优化,最终得出加深消力池与在护坦加设消能墩的方式,其对下游水深的适应更好。     

数值模拟在渐扩式折坡消力池中的应用

为解决折坡消力池中水跃不稳定、流速分布不均及消能率低等问题,主要采用数值模拟方法对 河南省某水库枢纽南灌溉洞进行研究,提出完全渐扩式折坡消力池的结构。通过物理模型数据对比,验 证了数值模拟的可靠性。通过对消力池内部流场的对比分析,发现渐扩式折坡消力池提高消能效果的 机理:渐扩式消力池能使水流横向扩散的空间增大,增强消力池首部水流的立轴旋滚;消力池内存在较 大的横向速度梯度,产生剧烈的紊流剪切和横向流动。相对于非扩散消力池,渐扩式折坡消力池能较好 地控制出池水流的流速及流态,减少下游河岸冲刷,在设计时可以予以参考。     

c型折坡水跃特性的试验研究

水跃消能是水利工程中经常用到的消能形式,国内外许多学者对水跃进行了大量的研究。在工程实践中发现,c型折坡水跃的水力特征值与规范方法计算得到的值有较大差异。文章针对c型折坡水跃特性进行了试验研究,并结合量纲分析和数值分析方法,得出以斜坡段坡角θ为参数的c型折坡水跃跃后水深、水跃长度的计算公式,并利用水槽试验数据和实际工程水工模型试验对公式进行了验证。结果表明:所得公式的计算误差不超过±12%,可供工程设计计算参考。     

B型和D型折坡水跃的水力计算

折坡水跃的水力计算是设计折坡水跃消力池时经常遇到的问题。为了得到计算Ｂ型和Ｄ型水跃第二共轭水深的简便有效的计算关系式，应用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ９７和ＶｉｓｕａｌＣ＾＋＋５．０等软件，对坡度从０．０５到０．３：１的Ｂ型和Ｄ型水跃试验数据进行了分析和研究。     

曲线型消力池消能特性及优化设计模型试验研究

底流消能工消力池平面布置大多采用等宽直线型,但在弯曲河段采用直线型消力池将大大增加岸坡开挖工程量。通过水工模型试验,研究了德党河水库曲线型消力池内的水流特性及存在的问题,对设计方案进行优化,并进行了模型实验,实验表明采用跌坎式曲线型消力池能有效解决折坡段容易出现的空蚀现象和消力池内水流折冲明显等问题,且消能效果明显。     

扩散折坡消力池水力计算

目前折坡消力池主要研究等宽问题,美国陆军工程兵团给出典型计算方法和现有的其他水力计算方法,都不适合扩散折坡消力池,扩散折坡消力池已应用于实际工程,主要通过水力模型试验解决。本文建立了扩散折坡消力池水力计算方法,用布伦口水电站溢洪道消力池及导流泄洪洞的两个消力池试验资料进行验证,表明新方法适合计算扩散折坡消力池。     

梯形断面消力池扩散型消能计算

针对目前NB/T 35023—2014《水闸设计规范》只涉及矩形断面消力池,未涉及梯形断面消力池消能计算的问题,基于水力学基本理论和数值分析理论对梯形断面消力池消能计算进行研究,推导了梯形断面收缩水深的解析计算式以及梯形断面消力池扩散型消能跃后共轭水深基本方程,并利用高次方程求解理论分别给出棱柱体梯形断面跃后共轭水深的解析计算式和扩散型消能跃后共轭水深的简易迭代求解公式,并根据消能计算方程,给出梯形断面消力池扩散型消力池池深、池长的计算式。工程实例计算结果表明,所提出计算式精度可靠。     

R型水跃局部水头损失系数与跃后水深的计算

通过能量方程研究R型突扩水跃局部水头损失系数,完善水跃跃后水深计算的理论方法,为消力池跃后水深的计算提供新的思路。通过建立消力池出口扩散断面和跃后断面的能量方程,分析R型突扩水跃局部水头损失系数和水跃水深比的变化规律。结果发现:R型水跃相对局部水头损失系数是突然扩散断面弗劳德数和消力池突扩比的函数;相对局部水头损失系数既服从线性分布,又服从乘幂分布;水跃水深比是跃前断面弗劳德数和消力池突扩比的函数。提出了局部水头损失系数和水跃水深比的计算公式,并分别对其进行了验证。     

卡尔达拉水电站消力池与消力墩体形试验研究

针对卡尔达拉水电站泄水孔在运行中由于消力池与消力墩体型设计不合理而出现的消力池内流态不良问题,对消力池与消力墩体型进行了不同方案的试验研究。通过在水工模型试验中改变折坡消力池坡度及消力墩的位置,对各试验组合结果进行对比分析,提出合理的折坡消力池体形及消力墩布置方案;并且从水流流态、流速、水跃特性、消能率等方面综合考虑,分析消力墩位置对折坡消力池消能的影响。     

突扩式消力池R型水跃的长度特征分析

根据已有文献对突扩式消力池R型水跃的试验成果,分析突扩式消力池R型水跃主要特征长度—回流扩散段水平长度、射流长度及旋滚长度的变化规律。研究表明,回流段水平长度是扩散出口断面弗劳德数和消力池上下游断面宽度差的函数;相对射流长度随出流扩散断面弗劳德数的增大而增大,随消力池突扩比的增大而减下;水跃旋滚长度随扩散出口断面弗劳德数和扩散出口断面水深的增大而增大,随消力池突扩比、跃后断面水深与扩散出口断面水深比的增大而减小。提出了R型水跃射流长度及旋滚长度的计算公式,并用已有文献资料进行了验证。     

顺坡渐扩矩形明渠水跃计算公式

顺坡渐扩矩形明渠常被用在排水工程中作为排水口与河道的连接段。由于河道水位变化，水跃将发生在连接段。本文从动量守恒原理出发推导了顺坡渐扩矩形明渠水跃方程，在假定水跃水质点作二维运动和水跃段内质点垂向加速度近似为常量的基础上推导了水跃长度近似计算公式。并与扩散角为9°、水平坡度角为6°特定条件的模型试验结果进行了对比，结果吻合良好，可供类似工程参考。     

密排加糙床面消力池自由水跃跃长计算

水跃长度作为消力池设计的重要参数,对消力池安全稳定以及经济合理的影响效果显著。通过建立水跃区水体质点的运动方程,研究密排加糙床面消力池水跃旋滚长度和水跃长度的变化规律,提出了水跃旋滚长度和水跃长度计算的理论方法,并根据已有文献的试验数据对所推公式涉及的物理参数进行率定。计算研究结果表明,密排加糙床面消力池水跃旋滚长度和水跃长度均随跃前断面弗劳德数、跃前断面水深和水跃共轭水深比的增大而增大,随着床面当量粗糙高度的增加而减小。经验证发现,水跃旋滚长度和水跃长度的计算值与实测值接近。     

陡坡后消力池内水跃的数值模拟

利用三维RNG k-ε紊流模型和体积率(VOF)跟踪自由水面的方法,对4种不同工况、相同坡角的陡坡后消力池内的水跃特性进行了数值模拟,并与模型试验结果进行了对比.结果表明,不同工况下消力池内水面线特征、流速和水跃长度与模型试验吻合较好,陡坡后消力池内淹没水跃长度大于自由临界水跃长度.同时,数值计算与试验结果均表明,陡坡后消力池内水跃长度不能按照平底矩形水跃长度计算公式进行计算,必须考虑淹没度的影响,从而有效避免陡坡后消力池设计中的不足.     

地震作用下重力式码头地基液化及变形

我国现行码头抗震设计规范采用的单水准抗震设计方法,不能反映不同地震烈度时的抗震性能.采用有限差分软件FLAC 3D,对重力式码头的地震响应和地基状况进行了分析计算,研究重力式码头在不同强度地震作用下地基的超孔隙水压力、超孔压比和码头位移,并用国际航运协会码头结构抗震设计指南所规定的性能设计准则进行了评判.计算表明,在强度较小地震作用下,所分析的重力式码头结构和地基的破坏程度较小,不影响结构的正常使用.在较强地震作用下,沉箱底部置换砂超孔压比增幅较小,置换砂并未液化;码头陆侧回填土层超孔压比增幅较大,回填土层在加速度峰值增加到0.2g后,在不同位置发生液化,沉箱水平及竖向位移在加速度峰值出现后急剧增大,最终导致重力式码头结构发生不同程度的破坏.     

加糙消力池共轭水深和水跃长度的试验分析

在总结国内外加糙消力池水力特性研究的基础上,给出密排加糙消力池的共轭水深和水跃长度的计算方法.根据W-S-Hughes等对密排加糙消力池共轭水深和水跃长度的试验资料,利用量纲和谐原理研究密排加糙消力池的水跃方程和水跃长度随弗劳德数、跃前断面水深、跃后断面水深和壁面粗糙度的变化规律.结果表明:密排加糙消力池的共轭水深随着跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着壁面粗糙度的增大而减小;水跃长度也是跃前和跃后断面水深、跃前断面弗劳德数和壁面粗糙度的函数;水跃区的消能率随着壁面粗糙度的增加而增加.提出了密排加糙消力池共轭水深和水跃长度的计算式,并用其他学者已有试验资料验证了计算式的可靠性.     

突扩式水跃跃长的计算公式推导与验证

水跃长度为突扩式消力池设计的重要参数,对消力池安全稳定以及经济合理的影响效果显著。通过建立水跃区水体质点的运动方程,研究突扩式消力池水跃跃长的变化规律。提出了突扩式水跃跃长的半理论公式,并用已有文献的实测数据对其进行验证。研究表明突扩式消力池水跃长度是跃前断面弗劳德数、跃前断面平均水深、水跃共轭水深比和消力池突扩比的函数,并随着跃前断面弗劳德数、跃前断面平均水深和水跃共轭水深比的增大而增大。结果显示,公式计算的突扩式水跃长度平均误差为4.32%,在5种体形共48组工况下只有5组工况的水跃长度相对误差>10%,且最大相对误差为-12.52%,其余工况下相对误差均<10%。     

李家河供水工程调节池水力学模型试验

李家河供水工程为长距离有压重力输水管道工程。为减小管末端静水压力及水锤压力,将管道分成2段,在每段末端设矩形调节池,调节池兼消力池。对矩形长调节池的消能做了水力学模型试验,以观察流态,实测最大流速及真空度、检验效能效果,最后提出调节池的尺寸等方案,并对矩形长调节池与圆形池比较,其结果可供同类工程参考。     

波状床面消力池水跃特性试验分析

研究波状床面水跃共轭水深和水跃长度对于波状床面消力池的设计极为重要。根据已有文献关于波状床面消力池水跃特性的试验资料,分析波状床面消力池共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度和水跃区消能率随跃前断面弗劳德数、壁面粗糙高度、跃前断面和跃后断面水深的变化规律。给出了波状床面水跃跃后水深的半理论公式和水跃旋滚长度、水跃长度的拟合公式,并对其进行验证,水跃共轭水深的平均误差分别为4.5%和3.3%,水跃旋滚长度和水跃长度的平均误差分别为7.4%和5.9%。研究表明,水跃跃后水深和水跃长度不仅是跃前断面弗劳德数的函数,还是壁面粗糙高度的函数;波状床面消力池水跃区消能率远大于一般混凝土壁面消能率,在相同弗劳德数情况下水跃区消能率随着壁面粗糙高度的增加而增加。