糙条新体型水力特性数值模拟与试验研究

以往的溢洪道弯段消能导流措施多适用于宽深比(溢洪道宽度与平均水深之比)较小的弯道,对于宽深比较大的弯段溢洪道消能导流问题研究较少。结合新疆"635"溢洪道整治工程,在一般工程措施解决弯段溢洪道横向环流的基础上,提出糙条辅助消能工的新体型。为深入探究糙条的水力特性及导流机理,通过模型试验结合数值模拟的研究方法;基于RNG k-ε湍流模型对弯段溢洪道7种工况进行数值模拟计算,并与试验结果对比研究。结果表明:针对大宽深比弯段溢洪道的消能导流问题,糙条新体型有传统辅助消能工无法取代的优势,且在解决弯道环流、降低水面横比降、缩短下游调整段距离的同时,水面流态依然较传统型消能工优越。     

弯段溢洪道导流墩联合糙条模型试验研究

为了研究弯段溢洪道中水流运动规律,建立了径宽比R/B为1.75的60°弯段溢洪道试验模型,通过改变导流墩联合糙条辅助消能工的布置参数,对实测数据进行分析,结果表明:导流墩联合糙条辅助消能工对水流有显著导流效果,可使水面横比降有效降低,使水面结构改善;长宽比L/B=0.187 5时水力条件优于L/B=0.125 0的,其最大消能率可达60%,水流动力轴线在弯道段,由凸岸向溢洪道中轴线靠近且出现不同幅度波动的趋势,在出口段,由凹岸一定程度向溢洪道中轴线迁移,大大缩短了纵向流速分布的调整距离。在弯道内合理地布置联合消能工既节省工程投资,又符合溢洪道水力特性要求。     

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。     

糙条对溢洪道连续弯段水流特性的影响

为探究溢洪道连续弯段水流特性及糙条消能工水力学特性,通过开展27组正交模型试验,结合消能率和超高变异系数筛选最优工况,采用RNG k-ε紊流模型与体积分数法（volume of fluid,VOF）对布设糙条和不布设糙条的溢洪道进行水流特性数值模拟对比研究。结果表明：糙条的布设使溢洪道沿程水深增加且变化剧烈;糙条能够抑制菱形波和折冲水流的产生,通过改善两弯段流态使水面均匀性提升38.0%和44.7%;布设糙条后,两弯段纵向流速均值被降低了45.16%和44.83%,各断面凹岸纵向流速的最大值沿水深下移;糙条的存在加剧了水流紊动,使两弯段纵向紊动强度均值增加了117.98%和71.05%,纵向紊动强度集中在凹岸衰减、凸岸增强,且各断面凹岸的最大值沿水深上移;糙条增大了床面动水压力,减小了两岸压力差,对压力分布形式有显著改善效果,有助于保护底板和边壁不易被冲蚀。研究成果可为溢洪道连续弯段设计及安全运行提供参考。     

糙条消能工对弯道水流动能调整试验研究

糙条消能工是一种新型消能工程措施。结合新疆"635"溢洪道整治工程,采用糙条对弯道水流进行消能辅助,通过改变糙条的布置型式,设置6种不同工况,对加糙水位变化率、水面线、横断面均匀度、水面横比降、断面流速分布、下游水流恢复长度、断面动能计算和动能调整系数等评价指标进行了分析。研究结果表明:有糙条工况能够增大加糙水位变化率,弯顶断面加糙水位变化率的变化不同于其他弯段断面;糙条高度的增大和条距的减小对弯道水流及下游出口水流有良好的改善效果;通过对弯道段典型断面的动能计算,得出糙条的设置可大幅度削减水流的动能,改变动能调整系数,进一步说明糙条消能工对弯道水流动能有很大的调整作用,突显了糙条消能工良好的消能辅助作用。     

沟水坡水库溢洪道弯道水流及消能试验研究

沟水坡水库溢洪道除险加固工程受地形条件限制体形复杂,涉及弯道、收缩等复杂的水力学问题,为了验证原设计方案的合理性,采用几何比尺1∶50的正态水工模型系统研究了溢洪道的泄流能力、流态、流速、压力及下游消能防冲情况等。针对弯道水流和下游消能不佳的问题,通过在溢流堰段增设导流墩,使水流分布均匀且主流居中,流态较原设计方案明显改善,不仅消能效果提升显著,而且减少了水流对右岸边坡的淘刷。     

Y形导流墩几何参数对泵站前池整流效果的影响

为了改善泵站前池流态,基于Fluent软件,运用可实现的k-ε模型对加Y形导流墩的正向进水泵站前池流态进行数值模拟,分析Y形导流墩几何参数对前池流态改善的影响。结果表明:Y形导流墩具有分流效果,流经Y形导流墩的水流会沿其两翼发生扩散,同时在Y形导流墩尾后产生漩涡。无整流措施时,泵站前池流态紊乱;通过在前池加设Y形导流墩可显著改善流态;Y形导流墩位置宜在前池中间,其中长度、高度、尾部夹角越大,两侧漩涡越小,行近流速分布越不均匀。     

新型坎式宽尾墩等在里底水电站中的应用研究

针对里底水电站枢纽泄洪底孔进口的漩涡,下游回水淹没底孔闸门支铰及枢纽的泄洪消能等问题进行了试验研究.通过在底孔进口加设消漩墙,闸室末端加设矩形宽尾墩、闸室下游渐变段局部适当收缩、消力池首部加设消力墩及在消力池的末端加设导流墩等措施;并在溢洪道闸室末端加设坎式宽尾墩,较好地解决了里底水电站泄洪消能问题.     

某山区溢洪道流态优化和消能试验研究

某山地溢洪道入流角度过大,且水流受圆弧段弯道离心力的影响,溢洪道外侧水体壅高明显,严重影响下游的衔接消能。在不改变原平面布置情况下,采用物理模型试验方法对溢洪道进行了优化设计,上游入水口及弯道衔接段设导流墩,下游陡槽段采用台阶式溢洪道的防冲消能体形,并对水流流态及消能率等方面进行了试验研究。结果表明:上游进口段水流分布均匀,衔接段水面线明显降低,台阶段呈现稳定的滑行流。实测台阶式溢洪道消能效率达到了87%,消能效果良好,流态稳定。     

王家厂水库溢洪道弯道水流改善措施

岸边式溢洪道常因地形和工程造价等因素的制约不得不采用弯道泄流，而水流因受离心力的作用给泄槽流态及消能防冲造成了诸多不利因素。为了改善王家厂水库溢洪道弯道水流而提出了扇形抬高陡坡段泄槽底部外侧高程和加设分流墩的设计组合方案。通过水工整体模型的试验验证，该方案是合理的，较好地解决了弯道溢洪道的水流流态及消能防冲问题。     

阶梯溢流坝和宽尾墩及消力池组合消能的水流数值模拟研究

采用两相流模型,辅以Realizable k湍流模型,来模拟阶梯溢流坝和消力池组合以及阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合两种联合消能工的水力特性,获得了流速场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率等物理参量的分布。网格划分采用了分区域划分:模型中任何形状不规则的复杂部分采用非结构网格划分,对形状规则的部分则采用了结构网格划分,并根据流动梯度的大小安排网格的疏密程度。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用了VOF法处理自由水面,使用PISO算法求解速度与压力的耦连方程组。比较分析了两种消能工在速度场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率的差异。研究结果表明:受宽尾墩的影响,坝面及消力池中的流速均小于无宽尾墩的情况,而台阶坝面的压强明显高于无宽尾墩的情况;在消力池中紊动动能及其耗散率均大于无宽尾墩的情况。可见,阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合消能工的消能优于无宽尾墩的情况。     

阶梯式消能工与掺气墩在工程中的联合运用

为使溢洪道具有较好的泄流条件,提高消能效率同时节省投资,提出了阶梯式溢洪道与掺气墩相结合的联合消能方式。以某水库溢洪道改造工程为例,对溢洪道的阶梯尺寸、掺气墩的结构及布置型式进行了探讨,最终泄槽段采用了1 m的阶梯形式与前倾30°的圆柱形掺气墩相结合的联合消能方式。试验结果表明,阶梯式消能工和掺气墩联合运用消能效果优异,水流条件明显改善。     

梯形凹角台阶式溢洪道水力特性

台阶式溢洪道中凹角水流的循环及能量交换是泄洪消能的关键因素之一,目前台阶式溢洪道的研究多集中在台阶的坡度、尺寸以及与宽尾墩等联合运用方面,鲜有对台阶凹角几何形状进行研究。通过水工模型试验和数值模拟计算,对传统三角形凹角台阶和新型梯形凹角台阶的流态、掺气浓度、压强、流速等水力特性进行研究,结果表明:梯形凹角台阶与三角形凹角台阶水流水力特性分布规律相同,但由于梯形凹角台阶改变了旋涡脱落的形状,漩涡脱落进入主流中,促进水流湍动,使得初始掺气点位置略微前移,增加主流区断面平均掺气浓度,提高虚拟底板处总压强波动强度,降低台阶沿程流速,有利于提高台阶抗空化空蚀能力和促进台阶消能。     

出山店水库表孔低水头大单宽流量消能方式研究

由于出山店水库下游河床水位低且水深变幅较大,能量较为集中,对下游冲刷严重,传统消能方式很难满足工程需求。本文结合出山店混凝土坝下消能防冲实验研究成果,对宽尾墩的水流特点、掺气特征、消能效果等进行了探讨,再通过数值模拟得出的水面线计算成果与实验结果吻合良好。最后,经过模型试验、数值模拟的结果进行比选,得出溢流表孔采用底流消能同时联合T型墩、非完全宽尾墩等辅助消能方式的消能率有所提高,消能效果提升明显。本研究可为类似的低水头、大单宽流量、低佛劳德数水库消能设计与试验研究提供参考。     

一种改善溢洪道陡槽弯道水流流态的措施研究

水库溢洪道受其地形、地质条件限制,在陡槽段不得不设置弯道。针对云南省某水库溢洪道,通过水工模型试验研究,水流通过陡槽弯道后产生了不对称冲击波,水流分布极不均匀,水流流态紊乱,下游消能能力严重不足。为解决这些问题,经反复试验,最终在陡槽弯道段底部垂直布置了四道斜槛。采用这种工程措施,起到了消减急流冲击波,改善陡槽弯道水流流态,提高下游消能能力的良好效果,可为同类工程提供一定参考。     

中桥水库泄水建筑物泄洪消能设计

中桥水库工程岸边开敞式溢洪道设计,采用分流墩消除闸墩尾部水翅、泄槽末端设分流趾、消力池内设消力墩的综合消能方式,使溢洪道水流平顺,消力池内形成稳定水跃,出泄水流与下游水位衔接良好,避免了对下游河床的冲刷。     

构皮滩水电站泄洪表孔分流齿坎的空化试验研究

 高拱坝泄洪表孔增设分流齿坎可以改善下泄水流流态和水垫塘底板的压力特性,提高消能效率,但由此带来分流齿坎的空化问题。采用减压模型试验方法对构皮滩水电站泄洪表孔分流齿坎的空化特性进行了试验研究。试验成果表明：该处空蚀可能性较大,而修改方案中,此处空化强度明显减弱且未超过空化初生阶段。     

T型墩消力池优化设计试验研究

本文结合新疆肯斯瓦特水利枢纽溢洪道模型进行试验,提出调整T形墩间距,布设差动尾坎辅助消能工对消力池进行优化。通过试验得出当T型墩阻塞率为45%,采用差动尾坎辅助消能工时,消能效果良好,能较好地满足消力池消能防冲要求。     

龙开口水电站挑坎体型优化试验研究

龙开口水电站有泄流量大、主河床狭窄等特点,对于这类工程泄洪消能尤为重要.为了解决水工模型第一试验阶段挑流消能不充分、闸墩出口流态紊乱的问题,进行了溢流坝段的水工单体模型试验,对连续坎、差动坎、窄缝坎以及差动坎和舌形坎、窄缝坎和舌形坎、窄缝坎和连续坎的结合运用等多个挑坎体型进行了冲刷试验,从而选择适用于龙开口水电站这类泄流量大、主河床狭窄电站的溢流堰挑流鼻坎形式.