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。     

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...     

底掺气坎对侧空腔长度的影响

侧空腔长度对射流挟气量及水流流态均有重要影响,采用3维数值模拟,分析了底部掺气坎尺寸对侧空腔长度的影响规律.结果表明,侧空腔长度及侧空腔形态受底部掺气坎的体型尺寸影响较大,随着底部掺气坎尺寸的增大,侧空腔长度增大,其主要原因在于底部掺气坎的尺寸会影响射流跌落至底板的位置,影响射流段动水压力的分布,从而影响射流的横向扩散速率.     

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.     

旋流式竖井环形掺气坎的掺气空腔计算

通过试验对旋流式竖井的竖井段流速、压强等进行测量,计算了水流空化数.通过分析,明确了有必要在高水头旋流式竖井泄洪洞中设置掺气减蚀设施.针对旋流竖井环形掺气坎掺气空腔长度的计算问题,从旋流式竖井中水流微团的运动特点出发,运用抛射体理论,推导出旋流式竖井环形掺气坎掺气空腔长度的计算方法,同时将计算结果与试验数据进行了对比,表明给出的汁算方法具有一定的精度,可供工程设计参考.在设置环形掺气坎后,对下游竖井段时均压强影响较小,脉动压强有所增大但频率分布以5 Hz以内的低频为主,不会对井壁构成威胁.     

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Fr数宽尾墩消力池流场3维数值模拟

宽尾墩消力池在许多工程中得到应用,而低Fr数宽尾墩消力池内部流场较为复杂。本文采用RNGk-ε紊流模型结合自由面追踪的VOF方法对低Fr数宽尾墩消力池内部流场及水面形态进行了数值模拟,避免了模型实验中由于测量等其他因素产生的误差。对比两种方案的水流形态及流场特性发现计算值与试验值吻合良好。通过对比两种体型消力池流动结构和紊动能分布特性,获得了模型试验难以测量的流场详细信息,结果令人满意。     

突扩突跌掺气坎底空腔长度计算

突扩突跌掺气坎的底空腔长度既与水力条件和底部掺气坎结构参数有关,也与侧墙掺气坎结构参数有关。以往的底空腔长度计算方法,均针对仅采用底部掺气坎,未设置侧墙掺气坎这类掺气设施,不能反映出侧墙掺气坎结构参数对底空腔长度的影响。本文基于射流微元体受力平衡法,提出了一种求解明流泄水道突扩突跌掺气坎底空腔长度的计算方法,该方法能够全面反映突扩突跌掺气坎底空腔长度受底部掺气坎、侧墙掺气坎结构参数和水力学参数的影响。通过与30组试验资料和已有研究成果的对比,表明本文提出的计算方法具有较高的精度。     

明流泄水道突扩突跌掺气设施空腔长度研究

为了查明短有压进口泄洪洞下游明流泄水道上突扩突跌掺气设施底、侧空腔长度随掺气坎尺寸和水流弗劳德数的变化规律,采用模型试验,测试了不同掺气坎尺寸在不同水流条件下的底、侧空腔长度,分析了无量纲底、侧空腔长度与掺气坎尺寸和水流弗劳德数的相互关系.结果表明:底空腔长度随着挑坎高度的增加、挑坎坡度的增大、侧扩宽度的增加和水流弗劳德数的增大而增大;侧空腔长度与挑坎高度、挑坎坡度关系不大,随着侧扩宽度的增加而增大,随水流弗劳德数的变化规律为:当侧扩宽度较大时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而线性增大;当侧扩宽度较小时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而略微减小.     

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。     

宽尾墩应用于高拱坝表孔后的压力特性

在分析宽尾墩内流态和压力分布特性的基础上,采用模型试验、数值模拟以及理论分析相结合的办法,提出了宽尾墩流道内溢流堰面最小压力、最大压力以及最大压力出现位置的计算公式,并将计算值与试验值及数值模拟值进行了比较。     

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。     

溢流堰表孔弧形闸门开启过程水力特性3维数值模拟

基于动网格技术和VOF方法对某工程宽尾墩泄洪表孔弧形闸门开启过程进行了3维数值模拟研究。为获得详细的水力特性,采用3种不同的开启速度。获得了闸门区、宽尾墩及消力池的压力、速度等水力参数的时空变化规律和易发生空化空蚀的时刻与区域,指出闸门开启过快时的不利因素,并将部分结果与试验进行对比,吻合良好,验证了数值方法是可靠的,可为确定闸门的合理运行方式及工程体型优化提供重要的参考依据。     

昭平台水库溢洪道闸墩裂缝非线性有限元分析

昭平台水库溢洪道建成于1970年,在运行过程中,溢洪道闸墩支座梁附近产生了贯穿性裂缝.溢洪道作为水利枢纽中的主要建筑物,其本身的可靠性是枢纽安全的重要保证,因此有必要找出溢洪道闸墩裂缝的成因,并分析带裂缝运行的闸墩是否安全、稳定.对昭平台水库溢洪道闸墩进行非线性有限元分析,成功地模拟了裂缝扩展,探讨了闸墩支座梁附近混凝土开裂的原因,提出了改进措施.计算分析成果已为工程所采用.     

阶梯溢流坝水流特性数值模拟

采用Mixture模型对阶梯溢流坝气液两相湍流进行模拟,湍流模型分别采用Realizablek-ε模型和RNGk-ε模型.针对非掺气区域的坝面平均速度、边界层厚度沿水流方向的变化以及边界层内速度分布等,进行了水流特性分析,并将两种湍流模型的计算结果与实验结果进行了比较.结果表明,Realizablek-ε湍流模型能够更好地模拟出阶梯溢流坝的水流特性.     

Numerical simulation and analysis of water flow over stepped spillways

Numerical simulation of water flow over the stepped spillway is conducted using Mixture multiphase flow model. Different turbulence models are chosen to enclose the controlling equations. The turbulence models investigated are realizable k-ε model, SST k-ω model, v2-f model and LES model. The computational results by the four turbulence models are compared with experimental ones in the following aspects: mean velocity, the spanwise vorticity and the growth of the turbulent boundary layer thickness in the st...