阳升观台阶溢洪道水流数值模拟研究

采用RNG k-ε紊流模型对阳升观台阶溢洪道水力特性进行数值模拟,分析了台阶面水流流态和流场分布情况,并与模型试验对比,结果表明数值模拟的计算成果是准确可靠的。在此基础上,进一步研究了台阶面的流速分布、压力分布、消能率以及紊动能和紊动能耗散率的分布特点。研究表明,台阶面流速从台阶内部至水面逐渐增大;台阶面最大压力出现在台阶水平面上,最小压力出现在台阶竖直面上,且为负压;台阶面水流消能率与台阶级数存在良好的线性关系;紊动能和紊动能耗散率顺水流方向逐渐增大,直至形成均匀的滑移流,两者达到最大。     

前置掺气坎式阶梯溢洪道体型布置优化试验研究

对光滑溢洪道、阶梯溢洪道和前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性进行了对比研究.针对阶梯式溢洪道工作水头很高,单宽流量超过50 m3/s的工程中尚没有成功应用实例的难题,提出采用前置掺气坎式阶梯溢洪道即能保持阶梯溢洪道的较大消能率,又能通过控制掺气浓度保护台阶表面避免发生空蚀破坏,较好的解决了溢洪道体型优化和下游消能防冲问题.对前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性、消能特性、掺气效果、抗空蚀特性进行分析和研究,成果表明,通过掺气坎和台阶的体型优化,各级流量的消能率均达到70%左右,尽管台阶后负压达-2.3 kPa量级,实测溢洪道台阶竖直面后的掺气浓度沿程分布均大于5%,与传统阶梯式溢洪道相比,抗空蚀性能明显提高,与光滑溢洪道相比,消能率提高2～4倍,消能效果良好.     

大隆水利枢纽溢洪道优化水工模型试验研究

通过建立大隆水利枢纽溢洪道水工物理模型,对溢洪道运行的水力特性和体形结构进行试验研究,优化了进水渠左导墙布置、控制段中墩形式和挑流鼻坎尺寸,使泄洪流态更平顺,水库调度运行更合理,满足消能防冲要求,减少溢洪道工程的工程量和造价.     

FAN工程竖井溢洪道水工模型试验

目前国内竖井泄流消能建筑物主要是结合已建导流隧洞,将临时建筑物加以利用形成永久建筑物,但往往都是作为单独结构进行布置设计,而埃塞俄比亚FAN工程根据工程特点,将土石坝与竖井溢洪道布置成为整体结构,竖井底部连接泄水底孔和坝基泄水管共同穿越大坝,结构布置方式比较新颖.以水工模型试验为手段,并运用相关理论结合试验数据进行分析,综合研究这种特别的竖井结构形式的溢洪道的泄流能力、压力特性、消能、空化空蚀及脉动压力等水力学问题,为该竖井溢洪道安全运行提供依据,以期为国内同类竖井溢洪道工程设计提供新的参考依据.     

阶梯溢流坝的水流特性与消能效果

本文通过试验分析，对设置在高坎宽顶堰上的阶梯坝面消能工的水流特性进行了系统研究，并与无阶梯溢流坝作比较后认为：在阶梯溢流坝面上形成的滑掠水流流态，使泄流水舌表面充分掺气，底缘形成含气漩滚。掺气后的水深和流速沿程保持稳定，可大量消散泄流动能，改善坝址下游的水力条件。设置于溢流坝面的阶梯是一种有效的消能工，并具有一定的防空蚀作用。阶梯消能的效果，与下泄单宽流量、坝高、台阶高度、溢流坝面斜率及堰面上滑掠水流的流程长度有关。     

阶梯形溢流面上水流的初步分析

本文从分析台阶水平面对主流的影响出发，研究分析阶梯形溢流面上滑行流和跌落流的判别，利用动量矩方程导出了滑行流发展成均匀流后的水深计算式。从最大消能效果出发，提出了阶梯尺寸的确定方法。     

洞塞泄洪洞的3维数值模拟研究

为解决高水头、大流量、出口尾水位低导流洞改建洞塞泄洪洞的布置和消能问题,提出了"垂直洞塞+压坡洞塞+水平洞塞组"这种新型的洞塞布置和消能形式,并采用RNGk-ε双方程模型和VOF方法,对采用该种新型洞塞布置形式的洞塞泄洪洞的流场进行了3维紊流数值模拟,得到了压强、流速、消能率等重要水力特性的分布规律,且将部分计算结果与试验结果进行对比分析,结果吻合良好,验证了采用该数值方法计算强紊动、强剪切射流以及大尺度漩涡流动的可行性.同时,研究结果也表明,某水电站非常泄洪洞采用"垂直洞塞+压坡洞塞+水平洞塞组"的消能模式消能,洞内能形成较强的紊动,消能效果好,满足工程要求.     

大隆水利枢纽溢洪道消能防冲水工模型试验研究

通过建立大隆水利枢纽溢洪道水工物理模型,对溢洪道进水渠左导墙、控制段中墩和挑流鼻坎尺寸进行优化,使泄洪流态更平顺,水库调度运行更合理。在此基础上对溢洪道的消能和防冲效果进行研究,在满足设计要求的同时减少挑流鼻坎的工程量,降低溢洪道的工程造价。     

曲线型局部超高阶梯溢洪道的水力特性

针对在高弗劳德Fr、大流速的来流下,曲线型光滑溢洪道的凹岸水位严重超高,凸岸出现底板露底,进入消力池的水流流态恶劣等不良水力现象,提出一种曲线型局部超高阶梯溢洪道。该溢洪道内布置多级阶梯,每级阶梯的凹岸和凸岸底部高程不同,且凹岸高于凸岸。利用水工模型试验和3维数值模拟方法详细研究水力特性。试验依托于某水库的岸边溢洪道工程,数值模型基于RNG""紊流模型和VOF法。与试验测量的阶梯溢洪道沿程流速、水面线分布等数据比较表明,数值模型的可靠性和准确度满足工程计算要求。通过试验分析光滑和阶梯溢洪道内的水流流态,验证了该溢洪道在工程中应用的可行性。从3个特征横断面水面线、流速分布,以及第Ⅱ特征断面所处的阶梯平台、凹凸岸边墙和中轴线沿程流速矢量、压力分布结果可以看出,横断面的流速、水深分布趋于均匀,凸岸底板的露底现象消失,岸边的折冲水流被极大削减;负压区出现在凹岸边墙、竖立面和阶梯平台形成的3维区域内,范围较小;阶梯平台上存在横向水流,与主流共同形成3维消能区,明显加强沿程水流能量耗散,入池流速得到减缓,平稳下泄进入消力池。在曲线型溢洪道内布置局部超高阶梯能成功解决大流速、高弗劳德数急流条件下出现的恶劣流态,增加能量损失,但需要结合前置掺气坎解决空蚀空化问题。     

消力池内辅助消能工对水跃消能效率的影响

对于中低水头径流式水电站,通常采用底流消能方式来消减过坝的水流能量,在消能的过程中消力池中水跃的形式、强弱以及辅助消能工的布置形式直接影响整个消力池的消能效率.通过模型试验,结合具体工程实例,探讨了消力池内布设辅助消能工后对水跃消能效率的影响,以及消能工的合理布置对于优化消力池结构的作用,研究辅助消能工的消能规律,为实际工程提供参考.     

前置掺气坎式阶梯溢洪道体型特点及工程应用试验研究

为了避免阶梯溢洪道中前几级阶梯表面发生空蚀破坏,将掺气坎应用到阶梯溢洪道体型设计中,形成前置掺气坎式阶梯溢洪道。这既能充分利用阶梯增加沿程消能的优点,又能扩宽阶梯溢洪道的应用范围。工程模型试验成果表明,通过掺气坎和阶梯的体型优化,各级流量的消能率均达到70%左右。1:40物理模型试验上实测溢洪道阶梯竖直面后的掺气浓度沿程分布均大于5%。研究表明这种新型阶梯溢洪道掺气量与掺气浓度易于控制,底部掺气充分,抗空蚀性能优越,消能率高,可以在高水头、大单宽流量溢洪道中推广应用。     

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.     

Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped spillways

Stepped spillways for significant energy dissipation along the chute have gained interest and popularity among researchers and dam engineers. Due to the com- plexity of air-water two-phase flow over stepped spillways, the finite volume computational fluid dynamics module of the FLUENT software was used to simulate the main characteristics of the flow. Adopting the RNG k-ε turbulence model, the mixture flow model for air-water two-phase flow was used to simulate the flow field over stepped spillway with the PISO arithmetic technique. The numerical result successfully reproduced the complex flow over a stepped spillway of an experiment case, including the interaction between entrained air bubbles and cavity recirculation in the skimming flow regime, velocity distribution and the pressure profiles on the step surface as well. The result is helpful for under-standing the detailed information about energy dissipation over stepped spillways.     

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...     

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。     

宽浅式溢洪道急流控制及下游冲刷试验研究

为使水利工程中常用的泄水建筑物岸边溢洪道安全运行，指出了某工程泄洪流量悬殊、宽浅比1：7的溢洪道出现的急流冲击波现象，经分析研究后提出中墩尾部增加低导墙形成潜堰方案，解决了泄槽内急流冲击波问题。针对泄洪流量悬殊的宽浅式溢洪道轴线与下游河道夹角偏大，鼻坎水流偏转困难等技术难题，提出两边扩散大斜切扭曲鼻坎形式，并对挑流冲刷问题进行了试验研究。试验结果表明，优化体型具有减轻急流冲击，改善挑流入水条件，减轻下游冲刷等优点，试验研究成果可供类似工程参考。     

台阶式溢洪道消能方式的发展与研究

论述了台阶式溢洪道的流态、掺气和消能等研究成果及现状,指出了其存在问题和发展趋势。     

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.     

泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动的数值模拟

采用双方程紊流数学模型和自由面VOF方法,对有压泄洪洞弧形闸门突跌突扩出口段三维流动进行数值模拟,获得了空腔形态、侧墙水翅、压力分布等水力学要素,探讨了空腔冲击点涡旋对气流的吸卷作用,并研究了空腔的回水特性.计算与模型实验数据符合良好,表明数学模型对有压泄洪洞弧形闸门突跌突扩出口段复杂流场有较好的预测能力.