弯道式引水枢纽中弯道的优化设计

弯道式引水枢纽设计的关键在于如何合理确定人工引水弯道稳定几何形态,并使之产生稳定而强烈的横向环流.文中根据最小能耗率理论,以能耗率作为目标函数,并应用与弯道有关的约束条件,对引水弯道进行了优化设计.优化结果给出了引水弯道底宽、曲率半径、中心长度、纵向比降、水深、流速.最后用几个工程实例对该优化方法进行了检验,证明该方法是正确合理的.     

河流弯道取水口河冰动力学模型的建立方法

为保障河流弯道取水口在冰期的安全、稳定运行,以黄河内蒙古段某电厂弯道取水口为研究对象,研究建立了河流弯道取水口河冰动力学模型.研究主要分为实体模型试验、数学模型开发及调试、优化排冰方案3个步骤.实体模型试验的目的是研究弯道取水口处水流的运动特性及其对河冰运动的影响,分析河冰在弯道处的运动规律及积累过程;数学模型主要包括水流非恒定流模型和冰动力模型,通过模拟不同工况下河冰的运动情况来不断优化和完善数学模型;优化排冰方案是通过运行不同的导冰筏设计方案确定出合理的设计结构,最终提出针对不同弯道取水口的合理、有效的排冰模式.     

河流弯道取水口河冰动力学模型的建立方法

为保障河流弯道取水口在冰期的安全、稳定运行,以黄河内蒙古段某电厂弯道取水口为研究对象,研究建立了河流弯道取水口河冰动力学模型。研究主要分为实体模型试验、数学模型开发及调试、优化排冰方案3个步骤。实体模型试验的目的是研究弯道取水口处水流的运动特性及其对河冰运动的影响,分析河冰在弯道处的运动规律及积累过程;数学模型主要包括水流非恒定流模型和冰动力模型,通过模拟不同工况下河冰的运动情况来不断优化和完善数学模型;优化排冰方案是通过运行不同的导冰筏设计方案确定出合理的设计结构,最终提出针对不同弯道取水口的合理、有效的排冰模式。     

基于正交设计的掺气坎体型设计数值模拟研究

考虑挑坎坡度、挑坎高度等9项可能影响掺气坎空腔特性的参数,按照正交设计进行数值模拟试验.在试验基础上,采用极差和方差分析手段,以掺气空腔的外空腔长度、内空腔长度、通气孔进气情况和槽口出流速度为评价指标,对影响掺气坎空腔特性的9个参数进行分析.结果表明:影响掺气坎外空腔长度的诸多因素中,缓坡平台长度是主要因素,其他因素的影响相对较小;U型槽高度对掺气空腔内空腔长度起控制性作用,其他因素影响很小;对于通气孔进气情况和槽口出流速度,9个因素的影响都相对较小.与试验建议方案比较结果表明,通过正交设计分析所选出的最优方案,其水力特性指标均优于其他方案.说明正交设计分析方法是合理的,可行的.所得成果为工程实际中掺气坎体型的设计提供了依据,对于设计行之有效的掺气设施有实际意义.     

基于Flow-3D的陡坡弯道水流三维数值模拟

弯道急流有其独特的冲击波现象,流态极其复杂,为研究弯道对急流的影响和提出改善措施增添了困难。采用RNG k-ε双方程紊流模型和VOF法,以某工程溢洪道为依托,利用Flow-3D软件,对陡坡弯道段的急流进行了三维数值模拟,通过物理模型试验数据的验证,显示数值模拟结果的正确性。通过计算结果,分析了陡坡弯道对急流流态的影响,提出了导流墙法的弯道急流优化方案,通过物理模型进一步证明,采用导流墙法可有效改善急流弯道水流流态,表明借助Flow-3D软件对弯道水流进行三维数值模拟是可行的。     

急流弯道水流露底现象研究

为了解急流弯道水流聚集在凹岸的成因,以便在弯道设计和管理中避免水流露底现象发生,根据急流露底弯道水流速度比较快、在没遇到边壁之前沿直线运动的特点,利用动量方程,推导出急流弯道露底的界限。结果表明急流弯道露底与弯道半径、弯道宽度以及水流的Fr有十分密切的关系,当弯道转弯半径与弯道宽度比小于Fr减去0.5时,就会出现露底现象。结论与前人的试验研究结果大致吻合。     

多儿水电站泄水建筑物体型优化试验研究

通过水工模型试验研究,验证了多儿水电站泄水建筑物原设计方案的泄流能力、水面线分布等水力学技术指标。并采用复合曲线与扇形渠底局部抬高相结合的方法和渐变收缩挑流的消能方案优化了原设计方案中的溢洪道弯道段及出口段体型,有效地解决了由于水流冲击波引起的弯道水面高差过大以及尾水对对岸山体的冲刷影响的问题,并经过试验验证效果较好。以上研究成果为类似工程泄水建筑物的体型设计具有一定的借鉴意义。     

双弯道溢洪道水力特性研究

针对溢洪道受地形地质等条件的限制，在短距离内设计了两个转向相反的弯道，且弯道曲率半径小，坡降大的情况，采用模型试验和数值模拟相结合的方法对溢洪道的水力特性进行对比研究。通过试验选取斜槛法改善弯道水流，并确定了斜槛的数量、几何尺寸及布置角度。研究结果表明，通过布置斜槛，减小了横向高差，水流能均匀地进入消力池，形成稳定的水跃，较好地解决了弯道中小曲率大坡降的问题。     

弯道建坝对纵向流速分布特性的影响

采用U形弯道模型,研究在弯道出口顺直段上建坝及不同坝高对水流纵向流速分布特性的影响。试验结果表明:在弯道上建坝后水流的纵向流速变小,且坝越高流速越小,坝前顺直段流速偏离系数增大;高坝对弯道流速沿程变化规律的影响比低坝大;建坝后弯道水流的流速分布比无坝时更均匀对称;低坝对水流纵向流速在垂线上分布规律的影响不大,高坝会使纵向流速在垂线上的变幅减小。     

弯道纵向垂线平均流速的分布

本文从连续性方程的讨论出发,建立了沿垂线积分的弯道水流纵向运动方程.根据弯道水流纵向运动方程,提出了弯道水流纵向垂线平均流速计算公式.此公式获得了与弯道水流实测试验成果基本吻合的计算成果.由纵向垂线平均流速分布公式,进一步导出了水流出弯后流速调整段长度的计算公式.同时,根据理论公式,分析了各种因素对弯道水流平面特性的影响.     

赵口—黑岗口河段河势演变及工程适应性分析

在统计不同时段赵口—黑岗口河段河湾要素的基础上,分析了规划流路与实际流路河湾要素之间的相互关系,从河床比降、弯道半径、河湾中心角、直河段河长等方面分析了河势演变情况及已建工程对河势流路的适应性。结果表明:规划流路与实际流路趋向匹配;多数工程河湾半径设计较为合理,但部分工程设计弯道中心角较大,不利于控制主流;建议结合工程实际情况采取一定的工程措施,进一步完善原有的整治方案,增强对河势的控制能力。     

倒虹吸有压弯管的局部水头损失系数计算方法比较

有压弯管局部水头损失计算在倒虹吸等过水建筑物设计中至关重要。其中,转弯角和转弯形式是影响局部水头损失系数取值的重要因素。本文通过比较分析典型的有压弯管局部水头损失系数计算公式,结合水工模型试验资料的验证,考察了不同计算公式的性能。对小转弯角(<20°)情形,分析了转弯半径和转弯形式对局部水头损失系数的影响。结果表明,转弯角小于17°时,折弯管的局部水头损失系数不大于圆形缓弯管,在低水头、大流量的输水工程的倒虹吸设计中可以考虑采用折弯管形式。     

弯段溢洪道导流墩联合糙条消能工水力特性试验研究

由于弯道离心力与边墙的作用,导致溢洪道内产生水面超高、横向冲击波等问题。为了充分体现加设导流墩糙条后对溢洪道内水力特性影响,通过对曲率半径与底宽比值为2. 2的60°弯段溢洪道试验研究,得到了不同试验方案下溢洪道各典型横断面的水深与水流动力轴线分布规律。结果表明:导流墩布设位置和个数均可以一定程度地改善溢洪道内水面结构形态,单一形式导流墩对弯道内水面结构改善效果不如导流墩和糙条联合布置形式; 5组试验方案最大水面差及最大水深在1/5～2/5弯道横断面和4/5弯道横断面相邻上下游位置发生频率较大,且导流墩糙条联合方案的水流动力轴线更趋向弯道中轴线;相比同类消能工,导流墩糙条联合形式布置在弯道内更加节约工程造价,且施工较方便,可为实际工程设计提供理论参考依据。     

U形弯道水流试验及其数值模拟

弯道水流运动是河流动力学研究的基本问题之一,长期以来,其复杂的三维水流结构一直是研究者关注的重点。弯道水流在重力及离心力的共同作用下,形成弯道螺旋流,与顺直河道相比,具有特有的运动特性,主要表现在产生水面横比降、横向环流、流速重分布等方面。用声速多普勒流速仪（ ADV ）,对室内 U 形弯道水流结构进行了详细的测量,分析表明弯道环流出现了较为明显的双涡二次流变化过程。此外,试验验证结果表明雷诺应力模型（ RSM ）能较好地模拟弯道环流双涡二次变化过程,为深入分析弯道水流特性及其对泥沙运动、河床演变等影响问题提供了科学方法。     

河湾水流与河床冲淤综合分析

本文在两个弯道模型试验基础上［１，２］，综合分析了国内外的有关研究成果。文中首先阐明河流蜿蜒弯曲的必然趋势和河湾内环（副）流伴随主流形成螺旋流动前进的特征，并对弯道内主流位向变化、环流强度、水面横比降等作了分析，推荐了计算公式。其次，对河湾水流的横断面流速分布和沿河宽的单宽流量分布给出了计算方法，并分析求得了河湾冲刷深度的公式；依此可以计算河湾冲淤河床的平衡断面。     

大底坡复合圆弧曲线急流弯道水力特性试验研究

西安市黑河引水一期工程－石砭峪水库泄洪洞弯段布置为大底坡急流弯道，为调整其体形和水流流态，进行了水工模型。根据隧洞已开挖成洞的现状，又要较好地控制道段水流态的要求，试验中道对不同弯道体形进行了多次比较和修改，其中复合圆弧曲线弯道体形较好地控制了急流大弯道大流流态。     

基于树木年轮的弯曲河流河湾迁移速率估算

针对河流源区缺乏长期的河流监测数据,难以确定河湾迁移速率的问题,通过2016年和2017年2次对黄河源区的实地考察和采样情况,以典型弯曲河流白河的9处河湾为例,根据河湾凸岸淤长与植被演替的关系,利用树木年轮分析判断树龄,依据树木位置和树龄的关系估算弯曲河流河湾迁移速率。估算得出白河9处河湾迁移速率为0.38～6.10 m/a,迁移速率与水流流速、河道比降、凹岸滩高和河谷宽相关,最大迁移速率出现在河湾弯曲度最小的9号河湾。     

溢洪道弯段糙条消能工消能率试验研究

为研究溢洪道弯段布置糙条消能工的消能特性,在新疆“635”溢洪道整治工程的研究基础上,通过量纲分析,建立了糙条消能率多因素影响模型;采用正交试验原理,对溢洪道弯段糙条消能工的布置进行正交试验并根据试验结果进行多重回归分析,得到了反映糙条布置参数和溢洪道工程参数的消能率计算公式;然后为探究各因素影响大小进行了相关性分析,并定义无量纲因子k来反映糙条消能工的综合特性。结果表明:溢洪道工程参数对消能率的影响较大,而糙条布置参数除布置角度外影响均较小;无量纲因子k与消能率和水面横比降均呈负相关关系,且改变糙条布置参数对水面横比降的影响较消能率大;k值的波动范围在0.016~0.049之间,当消能率最大时,k=0.025,水面横比降最小时,k=0.037。提出的消能率多因素影响模型是一种半理论半经验计算公式,可为实际工程设计提供理论依据。     

河湾水流动力轴线变化与切滩撇弯关系研究

在分析汉江中下游以及荆江河湾实测资料的基础上,阐述了河湾水流动力轴线弯曲半径变化与切滩撇弯之间的关系,大量相关实测资料说明当河湾的来水条件和河湾形态发生变化时,会造成河势与水流动力轴线走向发生变化,从而引起切滩撇弯的发生.用多元线性回归的方法拟合出河湾水流动力轴线弯曲半径的数学表达式,并提出了用水流动力轴线弯曲半径与河湾弯曲半径的相对值来判断切滩撇弯发生机率的方法.研究成果对于治河防洪工程的规划设计有一定参考价值.     

多沙河流治导线流路方程研究

为确定多沙河流河道整治治导线的形态特征,本文试图建立治导线流路方程,以便定量描述自然状态下主流线变化规律。通过整理黄河模型试验资料,发现诸断面最大单宽流量连线所给出的水流动力轴线与河道合理整治后的流路均呈曲率半径逐渐变化的圆滑曲线形式,因此可以正弦派生曲线作为描述自然冲积河流治导线流路变化的方程框架。通过理论探讨、天然河流与室内模型资料分析,建立了治导线流路特征参数同河流水力因子之间的定量关系式。其中弯曲系数及弯道幅度计算式采用61组取自黄河、长江、淮河干支流以及模型试验典型河段的资料进行拟合;流路起始角计算式考虑了实际作用流量与整治流量差异的影响,引入造床流量下流速与河床启冲流速来反映河床的相对稳定性;弯道跨度计算式考虑了弯道环流强度的作用,从而所建立的治导线流路方程不仅适用于砂质河床、卵石河床及砂卵石河床的稳定流路变化,还能描述实际作用流量变化时河道主流线"小水上提、大水下挫"的变化规律。此外,利用黄河上下游游荡型典型河段及寻峪河卵石河段资料对本文方法进行了验证与应用。