前置掺气坎式阶梯溢洪道体型布置优化试验研究

对光滑溢洪道、阶梯溢洪道和前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性进行了对比研究.针对阶梯式溢洪道工作水头很高,单宽流量超过50 m3/s的工程中尚没有成功应用实例的难题,提出采用前置掺气坎式阶梯溢洪道即能保持阶梯溢洪道的较大消能率,又能通过控制掺气浓度保护台阶表面避免发生空蚀破坏,较好的解决了溢洪道体型优化和下游消能防冲问题.对前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性、消能特性、掺气效果、抗空蚀特性进行分析和研究,成果表明,通过掺气坎和台阶的体型优化,各级流量的消能率均达到70%左右,尽管台阶后负压达-2.3 kPa量级,实测溢洪道台阶竖直面后的掺气浓度沿程分布均大于5%,与传统阶梯式溢洪道相比,抗空蚀性能明显提高,与光滑溢洪道相比,消能率提高2～4倍,消能效果良好.     

掺气防止消力池辅助消能工空蚀破坏的研究

对与消力池辅助消能工空蚀破坏有关的主要水力要素掺气浓度、时均水动压强进行了有无强迫掺气的对比试验研究,测量结果说明用挑跌坎式掺气设施促使入消力池水流强迫掺气,可以增大水跃主流区掺气浓度、减小易蚀区时均动水负压,有利防止空蚀破坏。另外,也证实了强迫掺气对改善水跃消能有利。     

瀑布沟放空洞掺气设施试验研究

瀑布沟水电站是一座正在建设的以发电为主,兼有防洪、拦沙等综合利用效益的大型水电工程.其放空洞流量大,流速高,坡度小,沿程空化数小,存在高速水流空蚀破坏的可能,应采取掺气减蚀措施.通过模型比尺为1∶30的水工模型试验,综合分析前人研究成果和已建工程原型观测资料,结合瀑布沟放空洞的具体情况,对掺气设施进行试验研究.通过试验研究,确定掺气设施位置,提出了瀑布沟放空洞掺气设施采用中闸室闸门后突扩突跌和明流洞中部U形挑坎后接陡坡的掺气形式,为放空洞掺气设施的选型设计提供参考.     

小底坡、低Fr数泄洪洞掺气坎体型优化研究

位于小底坡、低佛氏数泄洪洞上的掺气坎,其体型设计往往存在较大难度。为了查明小底坡、低佛氏数泄洪洞掺气坎体型优化设计的一般规律,采用大比尺的模型试验,对三维掺气坎进行了系统研究。小底坡上的掺气坎,可用过坎射流最高点至底板的距离Tmax和空腔回水作为其体型优化的主要目标,良好的掺气坎应使空腔回水最少时Tmax也较小。试验结果表明:Tmax的主要影响因素为平均坎高及掺气坎横断面的型式,平均坎高愈小,Tmax愈小;横断面为凸型的凸型坎,可以减弱出射水流横断面上水面线的凹形分布,能使Tmax相对较小;空腔回水的主要影响因素为平均坎高及坎高差,适当增加平均坎高及横向坎高差,对消除空腔回水有利;在小底坡掺气坎体型优化中,三维掺气坎较二维连续坎有明显的优势,特别是凸型坎,容易达到空腔回水少,同时Tmax也较小的优化目标。     

曲线型局部超高阶梯溢洪道的水力特性

针对在高弗劳德Fr、大流速的来流下,曲线型光滑溢洪道的凹岸水位严重超高,凸岸出现底板露底,进入消力池的水流流态恶劣等不良水力现象,提出一种曲线型局部超高阶梯溢洪道。该溢洪道内布置多级阶梯,每级阶梯的凹岸和凸岸底部高程不同,且凹岸高于凸岸。利用水工模型试验和3维数值模拟方法详细研究水力特性。试验依托于某水库的岸边溢洪道工程,数值模型基于RNG""紊流模型和VOF法。与试验测量的阶梯溢洪道沿程流速、水面线分布等数据比较表明,数值模型的可靠性和准确度满足工程计算要求。通过试验分析光滑和阶梯溢洪道内的水流流态,验证了该溢洪道在工程中应用的可行性。从3个特征横断面水面线、流速分布,以及第Ⅱ特征断面所处的阶梯平台、凹凸岸边墙和中轴线沿程流速矢量、压力分布结果可以看出,横断面的流速、水深分布趋于均匀,凸岸底板的露底现象消失,岸边的折冲水流被极大削减;负压区出现在凹岸边墙、竖立面和阶梯平台形成的3维区域内,范围较小;阶梯平台上存在横向水流,与主流共同形成3维消能区,明显加强沿程水流能量耗散,入池流速得到减缓,平稳下泄进入消力池。在曲线型溢洪道内布置局部超高阶梯能成功解决大流速、高弗劳德数急流条件下出现的恶劣流态,增加能量损失,但需要结合前置掺气坎解决空蚀空化问题。     

X型宽尾墩阶梯掺气空腔影响因素分析

X型宽尾墩＋阶梯联合消能工已被应用于实际工程。当第一级阶梯高于其它阶梯时,水舌底部与阶梯之间存在气腔,从而水流底部实现掺气,在单宽流量超过30 m3/(ｓ·m)时阶梯可避免空蚀危害。研究了气腔尺度与堰上水头、堰顶至宽尾墩出口高程差、挑坎高度、堰面末端坡度、阶梯坡度之间的关系,并导出气腔长度的计算公式,计算结果与模拟及试验数据比较吻合。研究结果表明,除了水力要素外,阶梯坡度、堰面末端坡度与挑坎高度是气腔形成的关键原因,也是影响气腔大小的主要因素。     

宽尾墩后局部边墙对掺气效果的影响

为了解决X型宽尾墩后台阶面的掺气问题,本文提出了在宽尾墩后设置局部边墙这一新的掺气设施,采用模型试验对比研究了有无局部边墙情况下阶梯面的流态、压强、掺气效果等特性。结果表明,无局部边墙时,水流出宽尾墩后在阶梯面向两侧扩散,封堵了掺气通道,极易发生空蚀破坏;设置局部边墙后,水流出宽尾墩后由于受到边墙的约束,能形成稳定的掺气空腔,掺气充分,可有效减免台阶面的空蚀破坏。宽尾墩后局部边墙结构简单,易于施工,掺气效果好,可有效解决同类工程的掺气减蚀问题。     

掺气挑坎通气量试验研究(研究生论坛）

为了避免高速水流对过流面的空蚀影响,国内外高水头泄水建筑物多采用强迫掺气设施,同时必须保证掺气空腔内有足够的通气量。通过模型试验,从水力参数方面研究了掺气挑坎通气量的影响因素。试验结果表明,影响通气量的原因主要分为两方面：一方面为水体本身容纳气体能力,主要由水深决定;另一方面为水流从底空腔中吸纳空气的能力,主要由挑坎流速和底空腔长度决定。分析得出：水深较小时,水体本身所能容纳的通气量对掺气起主导作用;水深较大时,挑流水舌能从空腔中吸纳的通气量对掺气起主导作用。分析试验结果,综合考虑水体自身的容纳空气能力和底部临空面卷气能力两方面原因,提出了掺气挑坎通风量的经验计算公式,可作为泄水建筑物掺气挑坎理论计算参考公式。     

泄水建筑物反弧末端掺气坎的布置研究

在泄水建筑物中,为了减免在高速水流作用下过流面发生空蚀破坏,反弧段末端常常设置掺气坎.工程实践和科研表明,当掺气坎后为小底坡时,空腔内容易出现回水壅堵现象,减小了有效空腔长度,掺气效果不理想.采用数值模拟、模型试验的方法,对反弧末端掺气坎的布置进行了探讨得出:在泄洪洞反弧段末端设置底部掺气坎时,反弧段后附加离心力对底部空腔长度有显著影响.在反弧末段增加水平延长段后,反弧段下切点之后附加离心力具有过渡性质,随着附加离心力的减小,掺气坎后空腔长度有明显增加区间;水平延长段长度与反弧弧长的比在0.16范围内为空腔长度明显增加区间,在此区间内掺气坎后水流的水力特性得到了改善.     

高水头泄水建筑物的掺气减蚀试验

通过模型试验,对某高水头泄水建筑物进行了深入的试验研究,提出采用掺气减蚀方案,并为该工程选择了合理型式、尺寸的掺气坎,并提出了合理的建议。     

Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped spillways

Stepped spillways for significant energy dissipation along the chute have gained interest and popularity among researchers and dam engineers. Due to the com- plexity of air-water two-phase flow over stepped spillways, the finite volume computational fluid dynamics module of the FLUENT software was used to simulate the main characteristics of the flow. Adopting the RNG k-ε turbulence model, the mixture flow model for air-water two-phase flow was used to simulate the flow field over stepped spillway with the PISO arithmetic technique. The numerical result successfully reproduced the complex flow over a stepped spillway of an experiment case, including the interaction between entrained air bubbles and cavity recirculation in the skimming flow regime, velocity distribution and the pressure profiles on the step surface as well. The result is helpful for under-standing the detailed information about energy dissipation over stepped spillways.     

台阶式溢洪道消能方式的发展与研究

论述了台阶式溢洪道的流态、掺气和消能等研究成果及现状,指出了其存在问题和发展趋势。     

阶梯形溢流面上水流的初步分析

本文从分析台阶水平面对主流的影响出发，研究分析阶梯形溢流面上滑行流和跌落流的判别，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。     

黄土软基上溢洪道体型优化试验研究

黄土软基上的宽浅式溢洪道宽深比大,水流动量分散,受边界的影响敏感,稳定性差.针对西段村水库宽浅式非常溢洪道水流流态不稳定、消能不充分等问题,通过整体水工模型研究,分析了问题产生的主要原因,经优化体型,适当缩窄溢洪道陡槽宽度,减少水流宽深比,改善过渡段水流边界条件等,实现了陡槽水流的稳定性与溢洪道下游的充分消能,同时节约了引渠以下混凝土工程量的1/3.     

“V”形台阶溢洪道的消能特性

针对前人对台阶溢洪道的研究多集中在台阶尺寸、布置形式、流态等问题,没有涉及到对台阶本身的形式的研究,提出了台阶形状在平面上呈"V"形的台阶溢洪道的布置形式,并采用三维紊流数值模拟的方法对比研究了"V"形台阶溢洪道和传统的"一"形台阶溢洪道的消能特性,研究结果表明:"V"形台阶后的漩涡尺度较"一"形台阶小,在中轴面上,"V"形台阶无漩涡存在,台阶面上形成三元水流状态;"V"形台阶上的负压区小,中轴面上无负压;在相同的台阶高度及长度以及同样的来流情况下,"V"形台阶的消能率高于传统的"一"形台阶.所提供的台阶形式可供工程参考.     

某工程溢洪道台阶消能设计优化研究

某水库工程溢洪道采用台阶式消能方式,要求对溢洪道出口体型进行试验优化,以解决其出口消能防冲问题.经反复试验研究,提出了较优消能工方案.运行结果表明,该方案较好地解决了溢洪道出口的消能防冲问题,既节约工程投资,同时也满足了工程安全性能要求.     

高坝施工导流洞改建为旋流竖井式泄洪洞的水力特性研究

为了研究旋流式竖井泄洪洞的水力特性,结合某水利枢纽施工导流洞改建为旋流竖井泄洪洞水工模型试验的部分研究成果,通过大量的优化试验研究,分析了竖井涡流消能工况的流态、压力分布、流速分布、消能率等水力特性.试验研究结果表明,这种旋流竖井式泄洪洞消能效率可达88%以上,涡室与竖井的水流流态比较平顺,压力分布合理.所得结论为旋流竖井泄洪洞的设计提供了依据,可为类似工程参考.     

台阶式地形上双垂板透空系统的水动力学特性

基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM中的工具箱waves2Foam,通过在双垂板透空系统下方布置不同尺寸的台阶式地形（潜堤）,对规则波-双垂板-地形耦合系统的水动力学特性进行数值分析. 在不同入射波况作用下,研究双垂板的间距和台阶式地形的尺寸对结构系统前/后的反/透射系数、波能的黏性耗散率及双垂板间的液面相对振动幅值等水动力参数的影响. 此外,探究波浪非线性对相关水动力参数的影响. 结果表明：合理布置台阶式地形尺寸,如令地形的长度与波长的比值约为1.0,能够有效减小双垂板系统的波能反射和透射,并可获得适中的黏性耗散率;地形的存在会加剧双垂板间的液面振动幅度,有效提升两板间的波能捕获能力;波高的增大会造成反射和透射系数的减小,增大黏性耗散率,降低板间液面振动幅值.     

峡口拱坝消能方式的选择和计算

通过试验研究,将峡口表孔布置为大差动高低坎泄水方式,两侧边表孔采取高挑坎,中表孔采取低挑坎.在拱坝的向心作用下,边表孔的水舌与中表孔的水舌在空中相互交汇碰撞,可提高整体消能效果,明显减轻坝下冲刷.理论分析表明,上下水舌的交汇角越大,碰撞率消能率越高.改变中、边表孔的挑坎高程差和各自的挑角,可增大上下挑射水舌碰撞角度,提高空中消能率.峡口水电站的交汇角为37°,计算空中消能率为9%.     

马堵山水电站溢流坝消能方式再优化试验研究

通过马堵山水电站溢流表孔水工断面模型消能型式优化试验表明,采用矩型宽尾墩＋挑流的联合消能方式可以有效地消杀下泄水流的巨大能量,大坝下游河床冲坑深度明显减小,整体试验表明该消能方式能够有效地减小下游河道两岸回流范围和强度,为设计提供了科学依据。