明渠恒定均匀流机械能损失构成分析

明渠水流机械能损失的确定是水力学乃至工程流体力学中的重要内容。从明渠均质不可压缩液体恒定总流出发,以流体力学中黏性流体运动数学模型为基础,本质上揭示了机械能损失的构成和相互转化关系。成果表明:矩形明渠均匀流紊流的机械能损失由时均流速梯度引起的损失与紊动能耗散引起的损失组成,当雷诺数较小时,时均流速梯度引起的损失是机械能损失的主要来源,而雷诺数较大时,紊动能耗散引起的损失是机械能损失的主要来源。在宽浅明渠中,雷诺数约为9.5×103时,均流速梯度引起的损失和紊动能耗散引起的损失相等。     

珠江河口潮流底边界层的湍流特征量研究

通过高频流速仪ADV和声学Doppler剖面仪ADP对珠江河口虎门潮流底边界层进行了一个周日(25h)定点连续观测,利用观测数据计算分析了洪季潮优型河口潮流底边界层内的湍流特征量.结果表明,(1)底边界层内的湍流具有一定的各向异性,脉动分量概率分布为准正态分布;(2)对于半日潮流占优的河口,湍流脉动强度、底床切应力、摩阻流速以及湍动能耗散率等均具有明显的四分之一周日的变化规律;(3)边界层内床底切应力与摩阻流速的变化范围分别为1.8×10-2～3.5×10-1Nm-2和2.2×10-3～1.8×10-2ms-1,湍动能耗散率平均值约为1.9×10-5Wkg-1.     

明渠湍流发夹涡包形成及湍动能分布特性

湍流结构是湍流运动研究中最为基础的问题。为了解明渠湍流结构相互作用的动力演变关系,该文采用高频高分辨率粒子成像测速系统对充分发展的明渠湍流进行纵剖面二维流速矢量场进行测量,对发夹涡及发夹涡包结构与高低速流团的动力演变关系以及发夹涡结构内部的湍动能分布特性进行分析。结果表明:发夹涡及发夹涡包结构可以由高低速流团相互作用而产生;发夹涡涡核只位于高低速流团的交界区域。近壁区发夹涡结构的喷射(Q2)过程为产生湍动能的主要区域。而湍动能耗散主要集中在高低速流团的交界区域。明渠湍流近壁区为湍动能的主要产生与耗散的区域。     

明渠液固两相湍流结构及谱特征

明渠液固两相湍流特征关系到渠内水流流态及泥沙的输运和沉积。通过明渠水槽试验,借助声学多普勒流速仪测量瞬时湍流流速,结合时均分析法和惯性耗散法统计分析脉动流速、Reynolds切应力、湍流强度、湍流自相关系数和湍流能量谱特征。结果表明:相对于单一液相,液固两相各湍流特征值明显增大,固相颗粒增加了液相的湍流强度;其次,河床处湍流涡漩弱于水深一半处和水面处,其对于固相颗粒的起动、输移具有关键作用;增加固相颗粒后,符合-5/3幂变化规律的能谱曲线更广,更有利于固相颗粒的输运。     

芦苇类典型挺水植物对水流的影响模拟研究

水生植物对河道水流的水力学特性及物质输运有着重要的影响。基于FLOW-3D流体计算模型,建立了芦苇类挺水植物RNG k-ε三维湍流模型,研究了两种典型密度条件下非淹没植物水流的时均流和湍流特性。模型验证表明该模型可以较好地模拟芦苇类挺水植物对水流结构的影响问题,模型计算结果表明植被区上游流态比较均匀,水流流速分布符合对数分布,植被区尾部流速达到最大。含不同密度植被水流的湍流动能和湍流动能耗散率空间分布规律一致,并表现为植株尾流区的湍流动能耗散率较大。     

强风作用下珠江伶仃洋河口湾能量耗散分析

基于珠江河网-河口湾的三维数值模型,通过区域能量耗散项积分方法分析了风作用下的伶仃洋河口湾能量耗散。结果表明,潮能沿深槽向河口与三角洲传播,风的作用改变了伶仃洋河口湾能量通量的振幅和相位,但对各断面多潮平均能量通量影响不大;强风的作用使伶仃洋河口湾区域的单位面积能耗增加,垂向涡动能耗增强1~2倍,摩擦能耗变幅不大,且不会改变地貌形态阻力作用下的能耗空间分布性质。     

基于 MIKE21 FM 的南渡江河口段行洪能力分析

为预测并分析滨江西带状公园建设后对南渡江河口段行洪能力的影响,基于MIKE21FM水动力模块,建立了南渡江河口段平面二维水流数值模型。首先结合水文站实测洪水资料,对河口段河道、滩地糙率参数进行率定与验证。将公园模型概化为局部阻力修正和局部地形修正两种方式,然后分别模拟计算三种潮洪组合工况下河口段水面线和流场变化。计算结果表明,两种概化方式计算结果基本一致,公园建设后河道地形和糙率发生变化,导致水面线壅高和主流流速加大。阻力修正法计算的水面线壅高值稍偏大,但仍低于左右岸防洪堤设计水位,没有降低南渡江河口段防洪能力。司马坡岛附近局部出现高流速区,有必要采取相应的防冲措施。     

高落差明渠截流方案优选实例试验研究

针对某水电站工程明渠截流面临大水深、高流速、高落差、高单宽功率及合格截流材料难觅等带来的截流技术难题,通过水工模型试验,对不同戗堤和龙口形式进行了对比试验与结果分析,并提出了较为合理的戗堤轴线位置。研究表明:推荐方案充分利用了明渠导墙的导水作用,使水流在导墙的作用下形成"S"形流动,增加了水流流程,减小了龙口处的水力坡降;此外,流程形势由直到弯,水流紊动增强,流动阻力增加,动能耗散增加,从而改善了龙口处水流流态,降低了截流水力学指标和难度。研究成果为该工程的截流施工提供了数据支撑,可供类似工程设计参考。     

交汇口支流水动力特性数值模拟研究

城市水工建筑物多建于穿城而过的小型支流中,有着为城市防洪抗旱,美化城市水环境等重要作用。运用RNG k-ε紊流模型对明渠小型支流河口进行了数值模拟,采用VOF方法处理自由表面,分析了与大型河流交汇处不同形态小型支流的水位、流速、紊动能耗散率和床面剪切力等水流特性。结果表明:支流流量和支流上游河道走向是引起水流特性改变的重要因素。研究成果可为城市汇流口小型支流河道水工建筑物的设计建造、河道整治提供参考。     

有无植物条件下明渠水流紊动特性对比

在可变坡水槽中,模拟了带枝杈植物对明渠水流的干扰作用,借助超声多普勒流速仪(ADV)测量了不同水深下垂线不同测点的瞬时流速,计算了各测点的三维时均流速、脉动强度及雷诺应力等紊动参数,通过与无植物干扰的明渠均匀流紊动特性进行对比,分析植物对水流紊动参数的影响规律。试验结果表明:在有植物明渠水流中,时均流速呈三区分布特征;脉动强度及雷诺应力均在植物顶部附近出现最大值;脉动强度明显增大,在3个方向上趋于接近;可以用植物顶部以上的雷诺应力分布推求摩阻流速。     

闸后两种消能型式的试验对比研究

新疆渠首大部分修建在出山口位置,夏季河道洪水峰高量大,携带泥沙多、持续时间短,洪水对泄洪闸下游河床淘刷严重,威胁闸室稳定。工程建设中主要采用斜护坦+深隔墙和斜护坦+裙板两种型式进行消能防冲处理。为了分析这两种型式的消能效果,选择塔尔朗渠首工程,通过水工模型试验进行了对比研究。试验反映出,两种消能工都具有较好的消能效果。裙板的倒坡构造还能够使洪水产生部分回流,将河床质泥沙带回齿墙部位,从而减小了齿墙部位的淘刷。为此,试验中重点开展3种结构尺寸的裙板消能试验。试验结果表明:长度为6m的裙板消能型式与深齿墙消能型式的冲刷深度接近,冲坑深度最浅;但裙板消能冲坑最深处距离齿墙的位置却大于深齿墙消能型式。因此,裙板消能型式在满足消能效果的同时,能够较好地保护斜护坦齿墙不被淘刷,从而提高齿墙的安全性能。     

台阶式溢洪道中跌落水流的消能

本文通过对台阶式溢洪道跌落水流的试验研究建立了θ=19°时断面单位能量的经验公式,从断面单位能量和临界水跃跃后水深关系说明了跌落水流出现平衡的条件,并由试验证明了当坝高一定时台阶高度与台阶数量对溢洪道的消能率影响很小,其消能率仅是相对坝高Hdam/yc的函数的结论。     

水库溢洪道多级消能优化研究

水电站多具有长泄水道、大落差发电特点,对于这类电站单级消能工已经不能满足安全和经济要求,因此,宜采用多级消能。本以大河边水库为研究对象,针对溢洪道原设计方案中的不利水力现象进行了方案修改,取得了良好效果。     

水闸消能效果分析研究

水闸消能一般采用底流式(水跃)消能,但它往往又是在低水头情况下泄流,佛汝德数低,水闸消能效果较差。为了提高水闸的消能率,采取了有效的工程措施,即在普通消力池的基础上增加了辅助消能工以及修建复式消力池等工程措施。通过分析研究可知,水闸的消能效果有了明显的提高,尤其是复式消力池消能率较高,能起到良好的消能效果。     

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。     

Energy dissipation of slot-type flip buckets

The energy dissipation is a key index in the evaluation of energy dissipation elements.In the present work,a flip bucket with a slot,called the slot-type flip bucket,is theoretically and experimentally investigated by the method of estimating the energy dissipation.The theoretical analysis shows that,in order to have the energy dissipation,it is necessary to determine the sequent flow depth _1h and the flow speed _1V at the corresponding position through the flow depth _2h after the hydraulic jump.The relative flow depth h_2/h_o is a function of the approach flow Froude numberFr_o,the relative slot widthb/B_o,and the relative slot angle?/?.The expression for estimating the energy dissipation is developed,and the maximum error is not larger than 9.21%.     

泄洪洞台阶底面消能减蚀研究

通过新疆某工程表孔泄洪洞水工常压及减压试验的观测研究 ,论证了在高流速泄洪洞底面应用台阶减速消能的可行性 ,探讨了台阶的空化特性 ,并提出了合理的掺气设施体形     

梯形转叶螺旋流消能装置水力特性研究

在有压输水管道内部装配合适的消能装置是解决供水工程剩余水头的一种重要消能方式。本文介绍了梯形转叶螺旋流消能装置的水力特性试验研究,根据试验数据计算分析了消能装置的消能效果,并对其在不同扭转角度下的消能效率进行了分析,从而确定此类消能装置最高消能效率可达水流压力的80%以上,能对下游建筑物设施起到良好的保护作用。综合试验结果表明,该装置结构基本合理,可作为管道消能装置设计的依据。     

应用面流消能硬壳陂的体会

山区河流修筑水坡，如果完全依照大、中型工程的要求进行设计，常会遇到较大的困难和得出不合理的结果。水陂在广大农村的水利水电工程中使用很普通，80年代初佛冈县开始推广应用“面流消能硬壳破”，实践证明，这种类型硬壳陂，理论上概念是明确的，造价便宜，运行可靠。佛冈县已建成的195座永久性陂中，80％以上是“面流消能硬壳陂”，这些水陂从设计到施工和运行管理都充分说明了它是一种值得在低水头的水利工程中广泛应用的陂型之一。     

挑跌流水垫塘消能形式的消能防护设计准则探讨

  从解决消能防护问题的一般途径出发，系统论述了消能防护设计准则的提法，得出了以流态控制标准和防护条件作为制定各种消能形式的设计准则合理可行的结论，并针对高坝下游水垫塘内特殊的流态结构，从流态控制和板块受力条件出发，初步建立了水垫塘消能防护设计准则，提出放弃最大允许冲击压差的可能性。