高拱坝表孔宽尾墩流道内水流特性的数值模拟研究

宽尾墩应用于高拱坝表孔后,其下泄水流的空中扩散特性与宽尾墩流道内的水流特性密切相关.采用k-ε双方程紊流模型对宽尾墩应用在高拱坝坝身泄洪表孔时的水流特性进行了3维数值模拟,给出了孔流道水面线、压力、流场等水流特性.计算值与模型试验值对比,两者吻合较好.计算结果发现,坝面中线压力分布与侧墙压力分布存在相似规律,所不同的是侧墙压力在宽尾墩转折点位置存在局部增大;墩尾压力分布受墩内水流流线弯曲影响,其分布不再符合净水压力分布规律;墩尾水流流速大小沿水深方向变化不大,但流速方向变化比较明显.     

低坝宽尾墩水力特性研究

宽尾墩是一种新型消能工。本文研究表明，低坝上宽尾墩与高坝上宽尾墩一样，也具有消能充分、显著降低跃后水深及减少水跃长度的水力特性，同时也具有自身的水流特点。     

低坝宽尾墩水力特性研究

宽尾墩是一种新型消能工。本文研究表明，低坝上宽尾墩与高坝上宽尾墩一样，也具有消能充分、显著降低跃后水深及减少水跃长度的水力特性，同时也具有自身的水流特点。     

X型与Y型宽尾墩流道内水流特性研究

宽尾墩改变了流道内水力参数分布,采用RNG k-ε双方程紊流模型,定量分析了沿程水位与流速的变化。结果表明,X型宽尾墩边墙水面壅高程度在闸室段前75%范围内,约从0增大至0.2,后25%区域内增幅较大。Y型壅高程度略高于X型,两者的差别在闸室段后25%范围内呈现增加趋势。宽尾墩使得闸室段中部速度梯度减小,且Y型墩对速度梯度的影响较X型更为强烈。受逐渐扩宽的墩体尾部影响,闸室出口速度方向和大小发生改变,速度沿水深的分布极为不均,特别是水流抛射方向的显著变化与水平方向速度分量的大幅提高(与平尾墩相比)。文中提出的水面壅高程度可为工程中闸门铰链支座的布置提供参考,闸室出口速度定量分析有助于深入理解宽尾墩抛射水流在空中纵向与竖向扩散的成因。     

X形宽尾墩消能水力特性研究

宽尾墩与消力池联合消能通过在墩后纵向拉高水流增大掺气,在消力池入口附近水流交汇碰撞形成三元水跃,有效提高了联合消能率.其中X形宽尾墩由于其特殊的墩型设置,能进一步增大泄流能力,改善溢流面压强分布,调整消力池入流流态.采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值计算与模型试验...     

基于体型参数组合的Y型宽尾墩水力特性

水流经过宽尾墩后由于收缩挤射,产生三面掺气的大曲率水气交界面,流态异常复杂.利用数值模拟方法对Y型宽尾墩体型参数变化时的水力特性进行了分析研究.采用逐步收敛法比较分析12种不同体型宽尾墩泄流时的流态、水面线与流速分布、宽尾墩始折点处的佛汝德数及消能率等水力特性参数的变化规律.研究结果表明:随着宽尾墩收缩比增大,墩后水舌交汇点下部空腔增大,底流速整体上增大,佛汝德数增大,消能率略有降低;随着宽尾墩墩长增加,出闸水流的跌流趋势更加明显,流速增长加快,佛汝德数减小,消能率略有降低;随着上顶点与始折点高差增大,闸室内水面线升高且壅水效果更加明显,闸室内水流流速加大而消力池段流速反而减小,佛汝德数增大,消能率略有增加;随着始折点与上缩点高差增大,出闸水流纵向拉伸幅度降低,跌流趋势更加明显,佛汝德数增大,整体流速略微增大,消能率减小.     

龙开口水电站宽尾墩挑流消能断面模型试验

龙开口水电站水库调节库容较小,具有日调节性能,采用坝顶开敞式溢流,下游采取挑流消能方式.坝址处河床狭窄,洪水期泄洪流量大且泄流频率高,是很典型的高坝、大单宽流量泄流枢纽.对于此类工程,消能防冲是需要解决的主要问题.以水工断面模型试验为手段,以堰面流态、水舌形态及冲坑尺寸作为判别标准,通过多个试验方案的分析比较,阐明宽尾墩挑流联合消能方式运用于此工程的优越性,并对宽尾墩的两种体型进行比较,对宽尾墩的具体尺寸进行了适当的优化,提出了消能防冲最优的宽尾墩型式和具体尺寸参数,为设计提供了有力的依据.     

非完全宽尾墩消能机理数值模拟

为研究一种联合消能结构——非完全宽尾墩、消力池和梯形墩相结合的结构在低Fr数下的消能机理,采用模型试验和数值模拟方法对河南省出山店水库泄洪表孔进行研究.数值计算所得水面线与模型试验所测结果吻合良好,说明数值模拟的可靠性.通过对宽尾墩和平尾墩消力池内部流场的对比分析,得到非完全宽尾墩提高消能效果的机理:非完全宽尾墩能使水流横向扩散的空间增大,增强消力池首部水流的立轴旋滚;消力池内存在较大的横向速度梯度,产生剧烈的紊流剪切和横向流动.相对于平尾墩消力池,宽尾墩消力池能较好地控制出池水流的流速及流态,减少下游河岸冲刷,在设计时可以予以参考.     

宽尾墩后局部边墙对掺气效果的影响

为了解决X型宽尾墩后台阶面的掺气问题,本文提出了在宽尾墩后设置局部边墙这一新的掺气设施,采用模型试验对比研究了有无局部边墙情况下阶梯面的流态、压强、掺气效果等特性。结果表明,无局部边墙时,水流出宽尾墩后在阶梯面向两侧扩散,封堵了掺气通道,极易发生空蚀破坏;设置局部边墙后,水流出宽尾墩后由于受到边墙的约束,能形成稳定的掺气空腔,掺气充分,可有效减免台阶面的空蚀破坏。宽尾墩后局部边墙结构简单,易于施工,掺气效果好,可有效解决同类工程的掺气减蚀问题。     

低Fr数非完全宽尾墩消能特性研究

为了在低Fr数底流消能中应用宽尾墩来增强消能效果,通过水工模型试验和数值模拟相结合的方法研究非完全宽尾墩的消能机理和消能效果。数值模拟的计算成果与水工模型试验成果吻合较好。研究表明:非完全宽尾墩对泄流能力影响很小,不会增大消力池底板脉动压力,且可以增加消力池内的速度梯度,达到附加消能的效果,即在提高消能率的同时,可以消除出池波状水跃。非完全宽尾墩布置方案对中小型水工枢纽布置有较强的参考意义。     

X型宽尾墩阶梯掺气空腔影响因素分析

X型宽尾墩＋阶梯联合消能工已被应用于实际工程。当第一级阶梯高于其它阶梯时,水舌底部与阶梯之间存在气腔,从而水流底部实现掺气,在单宽流量超过30 m3/(ｓ·m)时阶梯可避免空蚀危害。研究了气腔尺度与堰上水头、堰顶至宽尾墩出口高程差、挑坎高度、堰面末端坡度、阶梯坡度之间的关系,并导出气腔长度的计算公式,计算结果与模拟及试验数据比较吻合。研究结果表明,除了水力要素外,阶梯坡度、堰面末端坡度与挑坎高度是气腔形成的关键原因,也是影响气腔大小的主要因素。     

拱坝表孔泄流下游消能防冲形式的试验研究

摘 要：针对中型拱坝下游消能防冲形式的选择问题,通过物理模型试验,对比分析了长护坦防护、水垫塘+二道坝和短护坦先冲后护三种布置形式下相应的水力学指标。试验结果表明：长护坦方案时,水垫塘内水流流态较差,底板和护岸易失稳破坏;水垫塘+二道坝方案时,水流流态和各项水力学指标满足要求,但水垫塘和二道坝的造价较高;短护坦先冲后护方案时,冲坑位置及深度均在允许范围内,该方案的应用会受到拱坝下游地质条件的制约。依据短护坦先冲后护的试验成果,提出初步确定短护坦防护范围的方法。本工程下泄的单宽流量较小,根据试验成果及类似工程经验,并结合坝址地质和工程造价因素,推荐消能工布置方案为“短护坦先冲后护”方式。     

碾压混凝土高拱坝分缝形式研究

为解决碾压混凝土高拱坝设计的技术问题,结合沙牌工程,采用模型试验和三维非线性有限元计算方法,对碾压混凝土高拱坝不同分缝方案坝体结构的应力、变形及裂缝情况进行分析,从而确定分缝形式的合理性,为工程设计和施工提供参考依据。     

高坝平板闸门闸孔恒定自由出流流量系数研究

着重阐明了闸孔相对开度ｅ／Ｈ及相对作用水头Ｈ／Ｈ＿ｐ对流量系数μ＿０的影响．并通过具体数据说明在堰型、闸门型式、位置及平板闸门切口方向一定的情况下，闸门相对开度ｅ／Ｈ及相对作用水头Ｈ／Ｈ＿ｐ均为流量系数μ＿０的主要影响因素．同时用最小二乘法得出流量系数μ＿０与闸孔相对开度ｅ／Ｈ的关系式呈双曲线型，而不是直线方程．     

设上游底缝对高拱坝应力状态的影响

应用三维有限元方法对小湾高拱坝设上游底缝的影响规律进行了初探,分析了无缝和有缝以及干缝与湿缝对拱坝应力和变位的影响规律.结果表明:设上游底缝是改善拱坝应力状态的一个有效的工程措施.     

拱坝气幕隔震的三维动力有限元技术研究

地震发生时坝体和库水之间相互耦合,产生动水压力,而动水压力又反作用于坝体,提出采用气幕隔震技术消减动水压力,以提高拱坝抗震性能。用流固耦合理论,建立了坝体-气幕-库水隔震的三维有限元分析模型,研究了气幕隔震的减震机理和隔震效果。对拱坝进行三维动力有限元数值仿真分析,结果表明,气幕隔震对动水压力反应、加速度反应均有显著影响,尤其是动水压力,气幕可使动水压力减少约65%效果。另外,对坝面动水压力典型分布进行了分析。     

宽尾墩位置、始扩点佛汝德数与堰上水头关系

研究了宽尾墩位置、始扩点水流佛汝德数与堰上水头之间的关系,导出了与水头损失、闸门宽度有关的计算公式。搜集了国内多个电站的宽尾墩体型参数及相关水力参数进行计算,结果表明,始扩点水流佛汝德数分布在1.7~2.3之间,平均值为2.042。结合实际工程,讨论了移动宽尾墩位置对水力特性的影响,计算结果与数值模拟结果的比较表明,两者符合较好。