阶梯溢流坝在左柏水库中的应用试验研究

通过水工模型试验,对左柏水库工程阶梯溢流坝水力特性进行了研究和分析。试验结果表明,阶梯溢流坝设置前置掺气坎后,起始阶梯上的掺气较充分,消除了起始阶梯面上的空蚀风险;单宽流量越大,阶梯上水流形成均匀流的流程越长;阶梯溢流坝的消能率随单宽流量的增加而减小;阶梯溢流坝体形下,下游消力池规模相比光滑溢流坝减小28.7%。试验获得的阶梯段均匀流水深、流速与相应单宽流量计算经验公式可为实际工程下游消力池设计提供参考,试验研究体形适用于单宽流量较小且坝高大于60 m的水利工程。     

溢洪道阶梯陡槽段水面掺气位置试验与计算探讨

外凸型阶梯式消能工是应用于溢洪道陡槽段上的一种新型的辅助消能工。目前溢洪道陡槽段外凸型阶梯式消能工已在水利工程中得到了应用,但对此类型阶梯式消能工水力特性的研究成果仍较少。本文在5种坡度比和不同阶梯体型(包括阶梯高度、阶梯间距等参数)的阶梯陡槽溢洪道水力模型试验研究的基础上,对溢洪道阶梯陡槽段水力特性进行研究探讨,分析了陡槽段坡度比、阶梯跌坎体型参数等对溢洪道陡槽段泄流流态的影响,并将阶梯陡槽段泄流分为光滑水流区和掺气水流区两部分,提出了外凸型阶梯陡槽段水面掺气断面位置和水深的计算公式。本文研究成果可为溢洪道阶梯陡槽段沿程水面线和消能计算提供参考。     

前置突扩突跌掺气设施曲线阶梯水流掺气特性数值计算

采用Realizable k-ε紊流模型和水气两相流Mixture模型对不同流量下前置突扩突跌掺气设施曲线阶梯连接段水流进行了数值模拟,得到了连接段边墙、底板及水流内部掺气量分布规律。结果表明:突扩突跌掺气设施形成的掺气空腔长度和形态与试验结果吻合,测点处掺气量的计算值大于试验值,但计算值与试验值随流量增大而增大的变化规律基本一致;在单宽流量大于28 m~2/s时,水流通过突扩突跌掺气设施后均能形成稳定的侧空腔和底空腔;在流经阶梯段过程中,掺气作用逐渐从四周向内部发展,最后形成均匀的掺气水流;连接段突扩突跌掺气设施和阶梯的联合作用能够有效地提高水流在底板和边墙处的掺气量;在单宽流量为54 m~2/s时,连接段末端掺气均匀水流的掺气量高达20%。通过设置前置突扩突跌掺气设施,能有效提高大单宽流量阶梯水流掺气量,降低泄洪建筑物产生空蚀破坏的风险。     

内凹型和外凸型阶梯陡坡段水力特性研究

根据溢洪道陡坡段坡度的大小,可设置连续的内凹型阶梯和不连续的外凸型阶梯两种形式的辅助消能工,以增大陡坡段泄流的摩阻和跌流,降低流速,增加泄流的消能率。基于水力模型试验,对溢洪道陡坡段坡度1∶1.5的连续的内凹型阶梯和不连续的外凸型阶梯的泄流流态和消能率进行比较和分析。试验表明:在相同陡坡段坡度条件下,不连续的外凸型阶梯数明显少于连续的内凹型阶梯,但单位根数的外凸型阶梯的糙率相对较大,外凸型阶梯陡坡段泄流消能率相应大于内凹型阶梯陡坡段。因此,当溢洪道陡坡段坡度i≤1∶1.5时,若工程布置条件许可,可优先选用不连续的外凸型阶梯,以获得较大的泄流消能率,同时也可以简化阶梯体型、便于工程施工。     

前置掺气坎高度对阶梯溢流坝水力特性的影响

将掺气坎设置于阶梯溢流坝闸墩出口处,有利于阶梯掺气,避免阶梯空蚀空化。通过1∶25模型试验,在宽尾墩阶梯溢流坝上设置不同体形的前置掺气坎,研究了掺气坎高度变化对坎后有效空腔长度、空腔最大高度、下游坝面掺气浓度沿程分布、水舌冲击力大小的影响,并与未设掺气坎体形时对应的水力学参数进行了对比分析。结果表明:与未设掺气坎相比,增设掺气坎后阶梯沿程掺气浓度增长明显;有效空腔长度随坎高的增大而增大,空腔最大高度随坎高的增加无明显变化;随着坎高增加,水舌冲击力相应增加,对于53°的溢流坝面,坎高超过1.2 m后,水舌冲击压强将大于20×9.8 kPa。     

前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响

将掺气坎布置在宽尾墩出口和阶梯溢流坝首级台阶的中间位置,能有效减小高坝泄水建筑物在高速水流作用下发生空蚀和冲刷破坏的概率。利用水气两相流模型并联合RNG k-ε模型,模拟计算不同前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气浓度和消能特性的影响,前置掺气坎角度依次取8°,10°和11.3°。其中模型采用VOF方法对自由水面进行处理,利用几何重建方式对水气面附近进行插值,采用PISO算法和非定常流算法进行计算。模拟计算结果表明,在不同前置掺气坎角度下,阶梯面平均掺气浓度沿程变化趋势为总体减小并在后几级台阶处保持不变;在靠近掺气空腔后的台阶处,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先减后增,而沿阶梯面垂直近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先增后减,且同一断面的掺气浓度随前置掺气坎角度的增加而逐渐增加;在靠近反弧段的阶梯上,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐增大,而沿阶梯面垂直近壁面凸角到凹角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐减小,随着前置掺气坎角度的增加,同一断面掺气浓度随着增大,且泄水建筑物消能率随之增大。     

挑流反弧段水流掺气浓度的试验研究

通过泄槽水力学模型试验,研究了溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物挑流反弧段掺气浓度的沿程变化规律;分析反弧段掺气浓度分布与挑坎高度、挑流段反弧半径以及来流流量之间的关系,以期为优化掺气坎体型及掺气坎下游设施提供依据。试验结果表明,挑流反弧段水流表、中、底不同部位掺气浓度的沿程衰减率是不相同的;在试验范围内,挑流反弧段水流掺气浓度随掺气坎高和反弧半径的增大而增大,随流量的增加而减小。     

梅州抽水蓄能电站阶梯溢流坝与底孔泄洪建筑物试验研究

结合梅州抽水蓄能电站泄洪建筑物水工模型试验,确定在表孔堰面曲线末与阶梯连接处增设过渡阶梯、阶梯与护坦间采用反弧衔接、底孔纵向布置调整及出口窄缝挑坎的体型,对阶梯溢流面流态、流速、消能率进行研究探讨。成果表明,阶梯溢流面水流均匀滑行、掺气充分、流态平稳,护坦处水流衔接较好;底孔窄缝挑坎水舌纵向扩散效果较好,下游冲刷较轻;阶梯消能率呈现出随单宽流量增大而减小的变化规律。     

桥梁偏斜情况下河道水面线变化试验研究

针对桥梁的偏斜度、阻水比、单宽流量对河道水面线的影响,进行水工模型试验.通过对试验数据整理分析得出的主要结论是:单宽流量一定,最大壅水高度随偏斜度θ和阻水比λ的增大而增大,当0°≤θ≤30°、7％≤λ≤15％时,最大壅 水高度随偏斜度和阻水比增大的幅度较大,当30°≤θ≤45°、15％≤λ≤20％时,最大壅水高度随偏...     

泄槽底部掺气坎后水流掺气浓度分布模型试验

针对泄槽底部掺气坎后的掺气浓度分布规律较为复杂、研究成果较少的问题,为了更清楚地探究泄槽底部掺气坎后上游直段、反弧段及下游直段水流掺气浓度分布规律,采用含有反弧段的泄槽进行模型试验研究。试验结果表明:上游直段、反弧段及下游直段水流中不同水深处掺气浓度的沿程变化规律是不相同的;其他条件不变时,水流掺气浓度随掺气坎高度的增加而增大,随反弧段反弧半径的减小而减小;掺气坎高度和反弧半径对掺气设施的有效保护范围有一定的影响,适当提高掺气坎的高度和反弧段的半径对增大掺气设施的有效保护长度有利。