跌坎型底流消能工研究综述

近年来,随着人们环境保护意识的不断增强,许多大型水电工程的泄洪消能倾向于采用泄洪雾化较低的底流消能方案。然而,经济和技术两方面的因素制约了底流消能在高水头、大流量水电站建设中的应用。针对底流消能应用于高水头、大流量泄洪工程时存在的问题,在总结已有研究成果的基础上,结合国内向家坝、官地和亭子口以及国外某些高坝工程泄洪消能实践,对跌坎底流消能工的研究进展进行了综合分析。可为类似工程的体型优化设计提供参考。     

跌坎型底流消能试验研究

为了减小高坝泄洪雾化的影响,对比传统底流消能工,进行了水工模型试验。通过试验,对跌坎型底流消能工的水流流态、临底流速以及脉动压力分布进行了研究分析,结果表明：跌坎型底流消能工可大大降低临底流速,减小消力池底板上的脉动压强,消能效果较好;同时还可抬高消力池底板高程,缩短消力池长度,节省较多的工程量,经济效益明显。     

跌坎型底流消能工水力特性的试验研究

采用水力学试验方法,对跌坎型底流消能工的水流流态、时均动水压力分布以及临底流速进行了分析。并对影响消力池水力特性的跌坎深度和水流入池角度进行了研究。研究表明跌坎型底流消能工能有效解决高水头、大单宽流量消力池水力学指标过高的问题。     

跌坎型底流消能流态转捩及控制研究

跌坎型底流消能工是一种建立在常规底流消能工基础上的新型消能工。通过理论分析得出,跌坎型底流消能工消能率随着跌坎高度与上下游水深的变化而发生变化,且不同入池Fr下,满足消能率所需坎高与水深不同。结合某大型水电工程进行验证,针对上游相对水位120.0~140.0 m、下游相对水位40.0~50.0 m,跌坎型消力池内水流流态特征进行分析。研究结果表明,跌坎型消力池内水位波动最大值发生在跌坎下游50~100 m范围内;随着跌坎型消力池跌坎高度的变化,消力池内水流可呈现出三种不同流态特征;当跌坎断面采用收缩体型后,跌坎高度可得到提升,有效地保障消力池内水流流态稳定和消能效率,改善消力池内临底水力学指标。     

宽尾墩-跌坎型底流联合消能工水力特性试验研究

通过水工模型试验着重分析比较了宽尾墩-跌坎联合消能工与跌坎以及常规消能工消力池内的水流流态、临底流速以及脉动压力等,并根据试验结果拟合分析了该联合消能工的强迫水跃长度公式。试验结果表明,该种新型的消能方式改善了跌坎消力池内的水流流态,降低了消力池内的临底流速和脉动压力,缩短了消力池的长度,减轻了下游河道的冲刷,并且能很好地利用宽尾墩良好的消能率,克服宽尾墩挑射水流对消力池底板的冲击问题,为类似工程提供了参考,同时也丰富了泄洪消能工的型式。     

跌坎型底流消力池水力特性数值模拟研究

采用数值模拟方法,以某实际工程为例,对跌坎型底流消力池水力特性进行了分析研究。研究结果表明,跌坎型消力池内水面平稳,波动较小;下泄主流入池后迅速下潜,坎下形成稳定横轴旋涡,上方形成巨大旋滚;跌坎型消力池底板临底流速分布均匀,变化梯度较小;除跌坎附近外,消力池底板时均压强分布均匀,压强梯度较小。     

底流消能的跌坎型消力池再附长度的试验研究

再附长度是衡量坎后底滚回流区水流特征的一个重要参数,再附长度随水流入射角度、跌坎深度的变化而变化。根据平面紊动射流理论,建立淹没紊动射流的扩散方程,推导出再附长度计算的半经验公式,并结合水力学试验,对公式进行验证。结果表明,通过试验观测所得观测值与通过半经验公式计算所得理论值吻合较好。     

跌坎底流消能工在高坝泄洪消能中的实验研究

跌坎型底流消能工是一种新型的消能工,其入池水流在主流上下形成漩涡和强剪切紊动进行消能,提高底流消能率。通过某大型水电站水力学模型试验,对几种不同的底流消能工进行了对比研究,表明跌坎的存在可以有效地降低消力池临底流速等水力学参数,改善消力池内水流的流态,极大提高了入池水流的水力学指标,保证其运行安全,满足高水头、大流量泄洪消能工的要求,为底流消能应用于高坝建设提供了参考和借鉴。     

入池角度对跌坎型底流消能工水力特性影响的数值模拟

跌坎型底流消能工是在常规底流消能工基础上发展起来的一种新型消能工.就入池角度对跌坎型底流消能工水力特性的影响进行数值模拟,并将模拟结果与试验数据对比分析.二者基本吻合.表明数值模拟方法有效可行.同时,研究发现入池角度对跌坎型底流消能工水力特性影响较大,选择合适的入池角度以提高消能效率是确定该型消能工体形的关键之一.     

跌坎型底流消能工跌坎深度在工程优化设计中的应用

以某工程导流泄洪隧洞底流消能工为试验研究对象,原方案试验中,在闸门半开工况下,下泄水流出现脱离泄槽底板现象,不利于下泄水流的消能,经研究,改变压坡段底板坡度,同时将泄槽的两个坡段改成一个坡段;原方案底流消能工消力池内均发生远驱式水跃,消能效果差,通过研究采用以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度计算公式,确定消力池底板高程。经两次优化试验后,消除了闸后水流脱离泄槽底板的现象,下泄水流流态稳定,消力池内形成稳定的淹没水跃消能,出池水流与下游水流衔接较好,消力池内临底流速和时均动水压强均明显降低,消能效果好。     

消力池及辅助消能工设计的探讨

本文综合前人实验资料，分析了自由水跃和强迫水跃的主要特征，并给出有关的经验公式，阐述了消力池辅助消能工的作用及设计方法。     

基于SPH法的正弦形消力池底板水跃现象数值模拟

利用光滑质点水动力学法(SPH方法)对正弦形消力池底板上的水跃现象进行数值建模,共模拟2种波形5种工况。将SPH方法的模拟值与已有文献的试验值作对比,验证数值模型及数值方法研究此类问题的可行性和适用性,并分析水面线、流速分布、跃长、共轭水深、消能率等水跃特性的变化规律。结果表明:SPH方法模拟结果与试验结果吻合度较高;水跃段流速分布不均匀、自由表面波动较大,且流层间存在相对运动从而形成旋滚,同等条件下随着弗劳德数的递增,掺气量和自由表面破碎现象越来越剧烈,旋滚的影响范围逐渐变大;正弦形底板消能率较光滑底板提高10%左右且所有工况消能率均在47%以上。     

亭子口水电站跌坎消力池减压模型试验研究

采用1:40减压模型,通过测试流态、水下噪声和脉动压力等水力参数,对亭子口水电站闸墩尾部跌坎式底流消力池的空化空蚀特性进行了研究。成果表明：闸墩尾部区域存在强度为发展阶段的剪切流空化,采用8.00 m高度的跌坎消力池后,消力池底板空蚀破坏的可能性较小;但消力池边墙与闸墩内壁侧扩距离较小时,边墙空蚀破坏的可能性较大;消力池边墙与闸墩内壁侧扩距离增至4.20 m时,边墙空蚀破坏的可能性显著降低。     

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。     

Reduction of stilling basin length with tall end sill

Experiments were conducted to characterize forced hydraulic jumps in stilling basins for enforced cases due to tail water level or dam site arrangement and construction.The case with a single tall sill was simulated in a horizontal flume downstream of a sluice gate.Results of experiments are compared with the classical hydraulic jump, and significant effect of tall sill on dissipation of energy in shorter distance was confirmed.Furthermore, the generated jumps were classified based on the ratio of sill height to basin length, and a simple design criterion was proposed to estimate the basin length for a desired jump and particular inflow.     

山西省离石县改河扩城工程中消力池选型及其设计

结合山西省离石县改河扩城工程中消力池的选型试验，提出了几种消力池体型。根据稳定水流的能量方程及动量方程，导出了矩形明槽中消力池的计算式，并用该工程的试验结果进行了验证计算，计算结果与试验资料基本吻合。     

T形墩消力池的水力特性与体型研究

本文对Ｔ形墩消力池的水力特性和体型比较等问题进行了试验，给出了Ｔ形墩消力池的共扼比ηｔ，阻力系数Ｃｄ，墩坎反力ｐ及池长、墩位、消能率等计算式，为Ｔ形墩消力池的水力设计提供了可行的方法。     

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。     

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。