Experimental and Numerical Study of Discharge Capacity and Sediment Profile Upstream of Piano Key Weirs with Different Plan Geometries

Piano key weirs (PKWs) are an improved form of labyrinth weirs, which are becoming popular as a more hydraulically efficient and cost-effective type of weir over its counterparts for both spillway and river flow conditions. More than thirty PKWs are already in construction worldwide, with constructions in India at Swara Kuddu. More than twenty parameters influence the flow over a PKW, and as such, the flow hydraulics near PKW is complex. It is imperative to study the performance of different shapes of PKW to know which shape offers more hydraulically and cost-effective advantages over other shapes. The present study combines the experimental and numerical study of discharge capacity and sediment carrying capacity of the different plan geometries of PKW. The experimental study of the discharging capacity of PKW has been carried out at eighteen discharge points for three plan geometries of PKW. A numerical study using ANSYS FLUENT has also been carried out at five discharges and compared with the experimental results. Vertical velocity near a weir is an essential factor facilitating the uplift of sediment. Sediment profile in the channel has been studied at three discharges experimentally for two types of PKWs: RPKW and TPKW6, all for free-flow conditions. The numerical study has also been carried out at these experimental discharges for studying the vertical component of velocity (v) upstream of PKW. An attempt has been made to isolate critical areas where the sediments are being lifted by the turbulence mechanism, thus helping them pass over the weir. The study shows PKW with a rectangular plan (RPKW) to be more hydraulically efficient than TPKWs with six-degree and thirteen-degree lateral crest variations (TPKW6 & TPKW13). The study also shows RPKW to be more self-cleaning in nature than its trapezoidal counterpart (TPKW6). Numerical study shows a close resemblance to the experimental results with errors well within permissible limits implying its greater use in ascertaining complex flows around hydraulic structures.

     

某水电站琴键堰体型优化试验研究

琴键堰是一种新型的高效溢流堰,以曲折的堰顶结构来增加溢流前缘总长度,使得其泄流能力远超直线堰。针对某拟建水电站琴键堰泄流能力不足的问题,提出了增加展宽比(L/W)、增加堰高(P)和增加堰高且减少单元数(n)的优化方案,并通过物理模型试验进行验证,得到了满足设计要求的推荐方案。此外,本研究还探讨了水工模型类别(整体及断面模型)和比尺效应对琴键堰泄流能力的影响。通过对比分析优化方案可知：方案M1(展宽比L/W由7.75增至8.88)中,琴键堰泄流能力得到了一定程度的提高,但泄流能力仍不满足设计要求;方案M2(堰高由4.50 m增至6.50 m)和M3(堰高由4.50 m增至6.90 m,单元数由17.5个减至8.5个)中,琴键堰泄流能力显著增加,该两种方案皆可满足设计要求。试验结果表明：与琴键堰整体模型相比,其断面模型测得的泄流能力偏大约6%;对于琴键堰,当模型堰上水头大于2.50 cm时,比尺效应对琴键堰泄流能力的影响可以忽略。     

不同上下游倒悬比琴键堰泄流特性试验研究

琴键堰是一种新型的迷宫堰,具有超强的泄流能力,受地形限制影响小等特点,被认为是目前解决水库泄流能力不足的有效方案之一。为了弄清楚琴键堰关键体型参数之一——上下游倒悬比(B_o/B_i)对其泄流能力的影响规律,在长16 m、宽0.5 m、深0.75 m的矩形钢化玻璃水槽中建立了三种不同上下游倒悬比的琴键堰模型并分别进行了19种不同流量工况下的过流试验,得到了对应工况时水面线的高清实拍照片和琴键堰的上下游水位等信息。结果表明:不同上下游倒悬比的琴键堰模型上的自由表面均呈现有随流量增大而由水平到弯曲再到大斜率倾斜的变化过程。对于B_o/B_i大于1的琴键堰模型,B_o/B_i越大,琴键堰的超泄比越大且泄流能力也越强。当B_o/B_i为2.5时,其泄流量最大比B_o/B_i=1时提高约16%。另外,通过量纲分析的方法,进一步拟合了含多参数、高精度的琴键堰泄流系数公式。     

琴键堰泄流能力影响因素与计算分析研究

近年来特大洪水和超标准洪水频繁发生,已建水利工程泄流能力不足问题日益突出。琴键堰在适当低水头条件下具有高效泄流效率。归纳了琴键堰主要结构参数对其泄流能力的影响及最佳取值,总结了琴键堰流态对泄流能力的影响,分析了琴键堰发生低水头行为的条件参数。通过对比现有琴键堰泄流能力估算公式,并结合国内外已有试验数据,采用遗传算法拟合推导了基于溢流堰轴线长度L、堰宽W、堰长B、堰高P、进出水宫室宽度比W_i/W_o及上下游倒悬长度比B_o/B_i流量系数计算式,整体误差小于6%。该式计算简单,适用于琴键堰整体泄流能力估算,可根据实际需求选取合适的估算公式。琴键堰主要结构参数的最佳取值及泄流能力的计算方法可为超标准洪水条件下泄流建筑物设计或改建提供估算依据。     

鸭河口水库溢洪道泄流能力研究

根据鸭河口水库溢洪道改建方案,由于堰顶长度增加(比常规实用堰多了一段引渠),其泄流能力不能按一般实用堰进行计算。采用Fluent流体计算软件对溢洪道的泄流能力进行了数学模型分析,并用物理模型对其进行了检验。结果表明:理论计算采用的公式是用于标准堰型时的计算公式,难以满足特殊堰体泄流能力计算的需要;数学模型对边界条件等难以完全模拟;物理模型最能反映真实情况。从水库安全出发,以物理模型试验值作为水库调洪演算的依据;其研究数据对类似工程堰型泄流能力分析具有参考价值。     

琴键堰水力特性数值模拟

为了探究琴键堰水力特性,采用VOF模型模拟了琴键堰运行时的三维流场,采用Lempérière的试验结果验证了VOF模型数值模拟方法的可靠性。通过不同几何结构的琴键堰进行的正交数值试验,确定了影响琴键堰泄流效率的主要几何参数;并针对这些几何参数,进行了数值仿真计算和理论分析,推导了琴键堰的新流量计算公式,经验证,该公式最大相对误差为6.7%,平均相对误差为3.7%。研究成果可为琴键堰的设计和工程应用提供可靠理论依据。     

Z形薄壁堰过流能力试验

鉴于Z形堰的水流特性及过流能力尚未见到相关报道,为研究Z形堰的过流能力,采用概化水工模型,进行了6个堰型方案、12组流量的水工模型试验。结果表明,Z形堰的过流能力大于直线堰,且Z形堰的展宽比越大,流量扩大倍数越大;Z形堰的流量计算可采用通用的堰流公式,其综合流量系数与堰上水深、堰高、展长、前堰宽、后堰宽等因素有关,展宽比、前后堰宽比越大,流量系数越大;堰上水深与堰高之比越大,流量系数越小。利用试验数据给出了考虑堰上水深与堰高之比、展宽比、前后堰宽比等因素的Z形堰流量系数估算公式。     

琴键堰增设护墙对泄流能力影响的模型试验研究

为探究在堰顶增设护墙以及护墙高度对琴键堰泄流能力的影响,通过模型试验对比分析了8种不同高度护墙琴键堰的泄流能力,并通过数值模拟对5种不同高度护墙琴键堰各溢流前缘的泄流量、水面形态以及流速分布等特征进行了分析。结果表明:相较于基础体型,增设护墙提高了进口和出口宫室的泄流效率和泄流量占比,提高了侧堰泄流量,减少了侧堰溢流碰撞,提高了水流下泄流速,从而提升了琴键堰的泄流能力;增设护墙高度为堰高的13%时,泄流能力提升最大,当相对水头 H/P<0.20、0.20相似文献   

迷宫堰及阶梯式泄水陡槽在六道河水电站中的应用

六道河水电站前池布置单侧溢流堰,由于前池长度较小,采用常规堰型不能满足泄流要求,迷宫堰可延长溢流长度,当堰上水头较低时,泄流能力较直线型堰明显增大,工程中采用了迷宫堰形式。迷宫堰后的泄水陡槽由于受到已有建筑物与当地地形条件的限制,采用常规泄水陡槽无法满足泄流消能要求,因此在空间有限的前提下采用了阶梯式泄水陡槽。本文介绍了六道河水电站中迷宫堰和阶梯式泄水陡槽的水力设计和结构设计方法,在阶梯式消能工的计算中采用了数值计算方法进行验证。     

虹吸井和排水口泄流三维数值模拟及堰型优化

采用k-ε湍流模型封闭Reynods方程及VOF法追踪自由水面,对南迪普火电厂虹吸井和排水口的排水过程进行了三维数值模拟,其结果与模型试验结果吻合良好,表明三维数学模型用于虹吸井和排水口泄流模拟是可行的。在此基础上,针对原设计方案虹吸井溢流堰泄流偏于一侧、流速分布不均匀等缺点,分析了迷宫堰取代原方案折型堰后的流态,经三维数值模拟验证,迷宫堰堰上过流量及堰后流速分布基本均匀对称,是一种较为理想的堰型。     

Prediction of Discharge Coefficient for Trapezoidal Labyrinth Side Weir Using a Neuro-Fuzzy Approach

Adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) is considered for flow over trapezoidal labyrinth side weirs located on a straight channel as a substantial part of distribution channels in irrigation systems and treatment units. To estimate the outflow over a trapezoidal labyrinth side weir, the discharge coefficient in the side weir equation needs to be determined in according with the effective dimensionless parameters which is Froude number, the sidewall angle, the ratios of weir length to channel width, weir length to total crest length and weir height to flow depth. 670 laboratory test results are used for determining discharge coefficient of trapezoidal labyrinth side weirs. The performance of the ANFIS model is compared with artificial neural networks (ANN), non-linear regression (NLR) and multi-linear regression (MLR) models. The comparing criteria used for the evaluation of the models’ performances are root mean square errors (RMSE), mean absolute errors (MAE) and determination coefficient (R²) statistics. Comparison results indicated that the ANFIS technique could be successfully employed in modeling discharge coefficient. It is found that the ANFIS model with RMSE of 0.090 in test period is superior in estimation of discharge coefficient than the nonlinear and linear regression models with RMSE of 0.124 and 0.279, respectively.     

侧壁角对梯形琴键堰泄流能力的影响

梯形琴键堰(T.P.K堰)是琴键堰(P.K堰)的进一步发展,具有泄流能力强、受地形限制影响小等优点。为了研究不同侧壁角对T.P.K堰泄流能力的影响,采用RNG k-ε湍流模型VOF法追踪自由表面,对5种不同侧壁角的堰型进行三维数值模拟。结果表明:α＜0°对T.P.K堰的泄流能力产生不利影响;随着侧壁角的增大,泄流能力得到了提升,当α=9°时,泄流量不再提高。利用数值模拟的优点,分别对T.P.K堰不同溢流前缘的泄流能力进行研究,并且揭示了侧壁角对泄流能力的内在影响机理。     

浅谈对迷宫堰实验的研究

以试验为基础,介绍梯形迷宫堰模型的过水试验过程,分析研究梯形迷宫堰的水力特性、泄流能力及泄流效率和通气设施对迷宫堰泄流能力及泄流效率的影响,并以图表的形式给出试验结果。其试验结论和研究成果对于迷宫堰的工程设计和应用具有很好的参考价值,并为迷宫堰的某些具体应用提供直接而有力的证据和理论基础。     

墩头超长实用堰泄洪安全分析及模型试验验证——以缅甸DAPEIN(Ⅰ)水电站工程为例

以缅甸DAPEIN(Ⅰ)水电站工程为例,论述了将WES实用堰的闸墩墩头向上游超长延伸之后,对泄洪安全所造成的影响。针对WES实用堰流量系数、堰面动水压力容易受边界因子影响的特点,对设计断面的堰顶布置和墩头形状进行了优化。根据堰面空化数计算公式及水流特性推导出计算的关键部位,对空化数进行计算。采用几何比尺为1∶60的物理模型对溢流堰的泄流能力和堰面动水压力进行了试验测试。试验结果表明:溢流堰的模型试验泄流能力和设计泄流能力非常相近。堰面动水压力除工况2的B4测点出现了-1.2 k Pa的微小负压值外,其余堰面时均压强值均大于0。从而,在泄流能力和堰面动水压力两方面都验证了这种设计方案的合理性。该工程所遇到的结构布置问题在中低溢流坝工程中属常见问题,解决思路可为今后类似工程建设借鉴参考。     

表孔溢流堰体型优化设计及模型试验验证

溢流表孔在水库汛期泄洪中作用显著,成功的表孔溢流堰体型设计是保证其功能有效发挥的重要前提。以浯溪口水利枢纽工程溢流表孔堰面为例,论述了堰面曲线设计及因结构布置需要对WES实用堰体型所作的一些改进,同时通过物理模型试验从泄流能力和堰面动水压力两方面验证了表孔溢流堰体型改进设计的合理性。研究成果对类似工程溢流堰体型优化设计具有一定的借鉴和参考价值。     

永丰县上保水库溢洪道采用异型进口的效益

本溢洪道设计采用了异型进口水力设计的科研成果，与常规设计相比，这种溢洪道具有进口布置灵活，增加堰长，减小单宽溢流量，降低堰上溢流水头等特点，上保水库溢洪道由于采用了异型进口，在不断加工程投资和最高库水位不变的条件下，使堰顶高程提高1．39m，增加有效库容、灌溉面积分别为27．8％和27．7％，经济效益显著，由此可见，溢洪道异型进口确实是一项值得推广的工程实用技术。     

低堰过流的数值分析

在中小型水利工程中,低堰应用是十分广泛的.而目前有关低堰的水力设计方面,包括设计准则和有关参数的选择,由于研究较少,只能延用高堰的一些标准和经验,导致设计的经济、合理受到影响.采用数值模拟可方便地对低堰的水力特性进行研究,节省工程时间和成本.文中采用Realizablek-ε两相紊流模型、VOF自由液面处理,对低堰进行...     

庙子头水电站两种堰型选择水闸断面模型试验研究

通过庙子头水电站两种堰型选择水闸断面模型试验研究 ,获得了宽顶堰与驼峰堰的泄流能力曲线和综合流量系数等试验成果。经综合比较分析表明 ,在平底泄水闸上做成较小的曲线型剖面堰型式的驼峰堰 ,可获得较宽顶堰大的流量系数 ,提高了泄水闸的泄流能力 ,从而可减少闸孔数目 ,节省开挖方量和投资     

组合式迷宫堰水力特性的模型实验研究

本文在前人研究迷宫堰的基础之上,将传统的宽项堰与迷宫堰相结合,打破常规,对已有的堰型进行改造.通过对其水力特性的深入研究,以实现提高堰的泄流能力的同时节约工程造价,更好地实现提高泄流能力和泄流效率的目的.通过实际的实验数据的采集、分析整理,分析讨论对不同的堰高比、不同的布设形式,在展宽比、宽高比均相同的条件下,水头比和...     

折线型实用堰过流能力研究

折线型实用堰作为低堰应用于中小型水利工程。通过整理前人研究成果,以及对实测试验资料进行分析,提出了折线型实用堰的界限范围：0.67＜δ/H≤1.5～2.0,且0.5≤P/H,给出了自由泄流时流量系数的计算公式。