收缩式窄缝挑流水流特性及挑距的研究

国外五十年代开始采用的窄缝式挑流消能,为解决狭谷河段建坝的消能防冲问题开辟了一条新途径,国内是从七十年代中期开始这方面的介绍、研究与应用的。实践与研究都说明,窄缝挑流是适于狭谷河段枢纽泄水建筑物的消能措施。由于窄缝挑流的挑坎出口断面急剧收缩,其水流条件比较复杂,所以这种消能工有待于进一步探讨。本文仅就收缩段的水流特性及挑距计算问题作一些研究。(一)窄缝挑坎收缩段的水流特性1.窄缝挑坎的起挑水头窄缝挑坎的水舌流态是随上游水头的升高而变化的。底孔上采用窄缝挑坎,水流首先由强迫水跃转化为过渡流态,即水舌主体形成挑流,挑坎内水流表面仍有漩滚存在(图1—a)随水头增高表面漩滚的挑出,且当收     

窄缝挑坎消能工几个水力参数试验研究

窄缝挑坎消能工以其消能效果显著被广泛运用于高坝建设中,通过建立概化物理模型对窄缝挑坎消能工几个典型水力参数进行模拟研究,根据工程经验分别选取收缩断面前不同来流条件,不同收缩比、挑坎挑角的窄缝体型,共计9组36种试验工况来进行系列模型试验,分析总结其变化影响规律,研究成果可为窄缝挑坎消能工优化设计和进一步深化研究提供理论支持。     

窄缝式消能工收缩段的体型设计

首先分析了辐射收缩水流的特性，得到了辐射收缩水流水面坡度的表达式；提出了设计窄缝收缩段的设计原则应是使收缩段出口形成辐射形收缩水流．本文据此提出了收缩段形状的具体设计方法，给出窄缝消能工收缩段的组合曲线算例．本文中还讨论了窄缝收缩段出口水面坡度的选择方法     

窄缝消能工水力特性数值模拟

对于窄缝式消能工,收缩比和出口形式是影响其水力特性和消能效果最重要的两个参数。采用RNGκ-ε紊流模型与VOF多相流模型对窄缝消能工进行水气两相流三维数值模拟,模拟收缩比为0.4,出口形式为矩形和底部收缩比为0.5,顶部收缩比为0.7的V形出口两种窄缝体型的水力特性,数值模拟结合龙水电站开口泄洪中孔窄缝消能工模型试验,对比分析了两者在压力、水面线、水舌和落水形态等水力特性的不同,结果表明采用紊流模型模拟研究窄缝消能工的水力特性是可行的;V形出口形式具有较大的优越性。     

窄缝挑坎收缩段急流冲击波特性的探讨

窄缝挑坎是五十年代国外开始采用的一种新型消能工。近年来,我国许多院校和科研单位对窄缝挑坎的体型和水力特性也开展了大量的研究,提出了许多有益的认识和建议。本文对窄缝挑坎收缩段的急流冲击波特性进行了较详细的分析研究,将窄缝挑坎收缩段的水流分为波前上游区和波前下游区两个不同流态的区域,对波前上游区水力要素的沿程变化规律作了初步的探讨。同时在伊本等人提出的急流冲击波计算公式的波前上游边界条件的基础上进行了修改补充,可用作窄缝挑坎收缩段边墙水面线的计算,并作为确定窄缝挑坎边墙基本尺寸均依据。     

溢洪道出口窄缝挑坎特性研究

消能工体型的选择在水利工程设计中至关重要。采用RNG k-ε紊流模型与VOF方法对泄洪过程中溢洪道与水垫塘内的水流进行水气二相流三维数值模拟,研究窄缝型挑坎消能工的水流特点及规律,结果显示,数值模拟计算的水深、水流流态、入水角度等参数与模型试验结果吻合较好,验证了数值模拟的可行性。在此基础上,计算分析了窄缝型挑坎收缩段水流及空中水舌的水力特性,以及水垫塘底板压强分布规律,确定出窄缝型挑坎最大压强所在位置及空中水舌流速变化规律。研究结果表明：窄缝型挑坎束窄水流作用明显,其空中水舌同一横断面的最大流速位置基本相同,同一纵向断面垂向流速差沿程逐渐减小,挑坎收缩段底板处流速大小呈抛物线形分布,而压强分布沿程呈现3个区间3个趋势的分布规律。研究成果可为实际工程中同类型消能工的设计提供参考。     

窄缝消能工水翅扩散降雨特性试验研究

窄缝消能工冲击波水翅扩散降雨对岸坡稳定及岸上建筑物的安全运行构成威胁。采用水工模型试验方法,研究窄缝消能工在不同来流Fr数、收缩比及底板挑角等参数条件下的水翅横向扩散降雨特性,揭示了不同参数对降雨区域形态及降雨强度分布的影响规律。研究结果表明,水翅降雨区域形态对窄缝底板挑角变化较为敏感,水翅产生雨强递减速率随着收缩比增大而增大,随着底板挑角增加(-10°~0°)而增大;最大降雨强度位置距窄缝出口纵向距离随着Fr数增加而增大。试验参数值选取范围主要考虑的是工程常用范围,可为深入研究窄缝消能工急流冲击波与水翅扩散问题提供参考。     

非对称窄缝挑坎水力特性研究

非对称窄缝挑坎是针对山区弯曲河道泄洪消能的一种新型消能工。基于水力学模型试验研究了偏转角为0°~10°非对称窄缝的水力学特性,重点分析了挑流段水面线特性、边墙压力分布、挑距及入水范围。模型试验上游来流采用有压装置生成,参照规范建议值选定了窄缝消能工模型的收缩比、挑角等参数。试验结果表明:弗劳德数Fr与非对称偏转角对挑流水面线、边墙荷载、挑距有较大影响。非对称窄缝挑坎可以有效地使挑流发生转向,相比对称窄缝挑坎,在相近的流量下非对称窄缝水舌扩散更为均匀,从而有效减弱了水舌对两岸的冲刷,减小了水舌对河床的冲击力度。     

窄缝消能工冲击波及水翅特性研究

窄缝消能工(STED)是一种结构简单、消能高效率的消能设施,广泛应用于高水头、大流量及窄河谷条件的水利工程。然而,由收缩段中冲击波造成的水翅作为窄缝消能工的一种特殊水力现象,将给下游岸坡稳定性和建筑安全带来危害,而由水翅造成的危害没有引起足够的重视,因此有必要对冲击波的形成机制及由此造成的水翅的运动特性进行专门研究。通过模型试验深入研究流态,结合理论分析揭示了窄缝消能工冲击波和水翅之间的内在联系。通过加入修正系数的方式将Ippen理论应用于窄缝消能工中,提出了冲击波波角的简化计算公式和水翅影响范围的估算方法。模型试验的结果显示该估算方法能够精确反映水翅的影响范围,计算相对误差在5%以内。     

老炉下水库溢流坝工程布置和试验优化

老炉下水库坝址区域岸坡陡峻，为典型的狭谷河段，经水工模型试验对溢流坝消能工进行优化，推荐其采用窄缝式挑坎消能工。介绍了该工程溢流坝窄缝式挑坎体型、窄缝收缩段内动水压强值及其分布、下游河床冲刷特性等试验研究成果，可供类似的工程设计参考。     

Y型窄缝消能工三维水力特性数值模拟——以斯木塔斯水电站工程为例

为了解Y型窄缝消能工的水力特性,以国内在建斯木塔斯水电站工程为原型,采用标准k~ε双方程湍流模型,引入VOF模型求解自由水面的方法,对斯木塔斯泄洪洞Y型窄缝消能工进行了三维数值模拟,得到了出口明槽段水面线、射流形态、不同高程水舌形态、左右侧墙及底板压强等水力特性值,并与物理模型试验值进行了比较。结果表明,数值模拟的精度较高,能够详实地反映Y形窄缝消能工水流内部的情况,可为Y型窄缝消能工的选型提供依据。     

窄缝消能工动压及脉动特性

本文通过大量实验,对窄缝消能工的时均动水压力及脉动压力特性进行了初步研究.认为:窄缝消能工的底板和边墙所承受的动水压力比常规挑坎情况大得多,窄缝消能工的动水压强沿程分布规律符合本文表达形式(2)的;高速水流对窄缝消能工边墙冲击的脉动特性属于低频脉动,边墙上的脉动荷载占相应的动水荷载的比值较小,脉动能量主要集中在极低的频率范围内,因此动水压力脉动引起窄缝消能工边墙振动的可能性较小;窄缝消能工边墙的水流脉动压力振幅概率分布符合正态性.     

窄缝式挑坎强化消能与体型问题研究

窄缝式挑流鼻坎是适用于狭谷高坝大流量泄洪的新型消能工。本文在总结窄缝式挑流消能工应用现状和消能特性的基础上，对窄缝式挑坎的体型进行了初步研究。就满足窄缝流态、消能效果好且经济合理的体型，提出了设计计算的初步方法。     

Y型窄缝消能工三维水力特性数值模拟

为了解Y型窄缝消能工的水力特性,以国内在建斯木塔斯水电站工程为原型,采用标准k～ε双方程湍流模型,引入VOF模型求解自由水面的方法,对斯木塔斯泄洪洞Y型窄缝消能工进行了三维数值模拟,得到了出口明槽段水面线、射流形态、不同高程水舌形态、左右侧墙及底板压强等水力特性值,并与物理模型试验值进行了比较。结果表明,数值模拟的精度较高,能够详实地反映Y形窄缝消能工水流内部的情况,可为Y型窄缝消能工的选型提供依据。     

收缩式消能工水面线的数值计算

近年来,随着我国峡谷地区高水头泄水建筑物的不断增加,收缩式消能工得到了越来越多的应用。这种消能工包括两种主要形式,即窄缝式挑坎和宽尾墩与下游挑坎、消力戽或消力塘等组成的联合消能工。在其设计过程中,     

基于降雨分析的窄缝挑坎消能工水翅特性研究

通过建立窄缝挑坎消能工物理模型,模拟研究出射水流的激溅水翅问题。通过调整窄缝挑坎体型参数( 弗氏数Fr、收缩比 β、挑角 θ)以获得不同出射水流条件,进行对比试验分析水翅的成因及其引起的降雨量区域强度变化趋势,甄别影响水翅形成及其强弱变化的主要水力参数,总结其变化规律。研究表明,窄缝消能工水舌的外缘挑距和入水长度均会随着弗汝德数Fr的增加而增大,挑坎下游典型区域的雨量分布亦随之发生变化;随着窄缝收缩角的增大,急流冲击波波角逐渐变小,水翅向岸边扩散的角度变小,冲击波交汇点距离窄缝出口更近,降雨向岸边扩散的范围也逐渐变小;此外收缩比与水舌外缘挑距和入水长度变化成反比。本研究成果可进一步加深对窄缝挑坎消能工水力特性尤其是水翅形成机理的认知,为工程实践提供优化依据。     

池式窄缝戽流消能计算方法研究

本文提出一种新型的综合性消能工，为池式掺气窄缝墩戽流消能，与常规的戽式消力池进行了比较。试验表明：池式掺气窄缝墩戽流消能极明显地提高了消能效果，文中给了出了戽内断面水深ｈ１，窄缝墩绕流阻力系数Ｃｄ以及下游界限水深ｈ１的计算公式，同时对下游河床的冲刷进行了分析，给出了冲坑长、冲坑深的经验公式。     

无中隔墩卧底式窄缝差动挑坎的设计研究

针对目前在多孔河岸式溢洪道上采用窄缝挑坎消能工，都是沿闸墩用长墩隔开，至出口段将墩体升高加厚、急剧收缩成窄缝的结构形式。全程隔墩混凝土用量大，加上强大侧向水压力荷载等影响到工程投资、结构安全与泄洪运行管理问题。该设计提出省去泄槽中部的长隔墩，只在溢洪道出口连续挑坎下部加入“卧底式窄缝”，借以实现继续应用收缩式消能工。经模型试验表明：通过“分段连续坎”与“窄缝”的差动作用，出射水舌抛射呈十、廿、卅字形，加大入水面积和碰撞机率，消能效果良好，并方便人为控制水舌落点。在水电工程中有扩大应用潜力。     

高坝溢流面窄缝流水力计算方法初探

南一水库位于福建省九龙江西溪支流船场溪上游,大坝为混凝土重力坝,最大坝高93m。该枢纽是以防拱为主、结合发电的大型工程。经综合分析及方案比较,最终选定采用两次收缩不对称窄缝消能方式。窄缝消能作作为一种新型、高效率的消能工,已在国内外很多溢洪道上应用。但将窄缝消能应用在短而陡的高坝上,南一大坝尚属首例。本文通过南一枢纽工程的整体水工模型试验研究,根据水流冲击波、水     

拱坝中孔平底与跌坎窄缝消能工对比试验

结合大花水水电站中孔泄水道的水力学模型试验，对拱坝泄水中孔平底和跌坎两种窄缝消能工进行了对比试验，指出：平底窄缝消能工水流冲击工作弧门支铰，水舌纵向拉开不够充分，不能满足工程需要；跌坎窄缝消能工水流不冲击弧门支铰，且水舌纵向拉开长度明显增大，在各种水头下均能形成形态良好的窄缝水舌，解决了该泄水道的高速水流问题。