X宽尾墩应用与发展的试验研究

本文在总结传统宽尾墩与普通X宽尾墩消能工所存在问题的基础上，通过思林水电站泄洪消能建筑物的试验结果分析，提出一种新型X宽尾墩消能工。该消能工体型简单，能满足表孔泄洪流量变化范围大、消力池纵向长度小、尾坎低的要求。与传统宽尾墩对比试验结果表明，消力池水流消能充分、下游河道水面波动小、消力池底板脉动小、满足工程安全运行的需要。     

边宽尾墩体型对边墙区域水流水力特性的影响研究

本文采用模型实验和数值模拟方法对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能进行分析研究,Y型边宽尾墩在满足泄洪消能条件下,侧收缩角设置不佳,会出现水流飞溅出边墙的问题。通过实验结果,比较分析三种不同体型边宽尾墩的整体水流流态、墩后水翅、溢流坝面时均压强、消力池时均压强及流速分布发现,边宽尾墩侧收缩角分别为19.03°、17.07°、19.98°、13.80°和19.98°、7.0°时消力池内水流流态均较好,其消能效果较好。当边宽尾墩侧收缩角为19.98°、7.0°时,水流不飞溅出边墙。     

T形墩消力池的研究与应用

Ｔ形墩消力池是在平底池内加设平面上呈“Ｔ”形、前墩用支腿与尾坎相联的辅助消能工消力池。这种消力池由课题组于１９７８年在国内率先研究并应用于三江口水电站溢流坝。其显著特点是能缩短池长４０％～７０％。至今国内已建成１３座这样的低水头消能工。本文对Ｔ形墩消力池的墩型、流态、水力计算方法、平均单宽阻力及阻力系数、消能机理、设计原则与步骤，以及取得的新进展等进行了论述。     

复式消力池在山区小水电中的应用研究

山区小水电虽然装机容量小，但泄洪消能任务重。本文在重庆郁江斑竹园水电站消能工模型试验研究中，对消力池进行了加深、延长、布设消力墩、调整尾槛等多种措施，结果均难以达到较好的消能效果。最后采用了纵向分级、横向差动的复式消力池——左侧主池纵向分为两级、右侧辅池适当抬高池底高程的两级差动式消力池，不仅消能效果达到设计要求，而且节约了开挖工程量，并对有关参数的确定进行讨论，望对有关工程设计有所助益。     

宽尾墩的泄洪消能效果与雾化影响

宽尾墩是行之有效的收缩式消能工体形,也经许多工程实践所证实.它消能效果和流态很大程度取决于体形设计.本文简要的论述几个体形参数的选择,同时也讨论了宽尾墩泄洪时雾化问题,并提出雾化影响计算公式和雾化防治观点.     

过渡阶梯体型对一体化消能工水力特性的影响

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能工有效地解决了我国高坝泄洪建筑物在高水头、大单宽流量下的高速水流问题,但仍然存在空蚀破坏的问题。通过对三种过渡阶梯与阿海原工况共4种方案下Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行水工模型试验,对比分析其水力特性,结果表明：①各方案反弧段内的最大时均压强出现在方案一中,相比有过渡衔接方式的三种方案的最大时均压强增加了3.3%;②过渡阶梯体型对台阶面负压影响较大,最大负压均出现在第二台阶立面凸角上缘,四个方案中,方案三最大负压最小,为-0.33 kPa;③从消能方面来看,方案一的消能率最低,为51.71%,方案三的消能率最高,为52.77%,比方案一增加了2.05%。     

低弗劳德数水流辅助消能工空蚀问题研究

辅助消能工的空蚀问题是水利工程中重点关注的问题之一。本文针对水利工程中常遇到的消力墩表面空蚀破坏问题进行了试验研究,提出通过两种方法解决空蚀问题:采用消力池+不完全宽尾墩+消力墩联合消能工和圆化消力墩棱角。试验结果表明:采用联合消能工不仅能够减小底流流速、减轻水流对消力墩的冲击力,而且能够提升消力墩表面的空化数、有效提高消能率。适当圆化消力墩棱角可以降低初生空化数;还能减轻紊动、提升空化数,从而提高消力墩的抗空蚀能力。     

与宽尾墩联合使用的消力池体型优化研究

与宽尾墩联合使用的消力池体型不同,消力池临底流速就会出现不同的分布规律。通过对工程实际中已经存在的几种消力池体型的分析,借助鲁地拉工程试验模型,对与宽尾墩联合使用的消力池体型进行了探索研究。研究结果表明,坝脚处设置双圆弧嵌槽+池末端复合式尾坎组成的嵌槽式消力池,在保持原传统戽式消力池体型整体水流流态不变的条件下,可以利用双圆弧嵌槽对消力池近底水流进行导向,导向后的水流既减小了消力池水流近底流速,又使近底水流的部分旋滚上移,充分利用了消力池中上部水体的紊动消能作用。实测消力池近底流速减小幅度平均在15%~30%之间。脉动压强的测试分析结果表明,最不利运行工况时,嵌槽对脉动压强均方根的减小有一定效果。     

Y型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能流场模拟

宽尾墩与台阶溢流坝联合消能在我国水利工程中得到广泛应用。采用有限体积法离散求解,辅以RNG k-ε湍流模型,引入水汽两相流的VOF模型,利用几何重建格式的非恒定流迭代求解生成自由水面,对几何体型采用结构化网格相结合进行处理,从库区到消力池进行了水气两相流的数值模拟。通过模拟其三维流场,得到了整体水流流态、墩后水翅、断面水深等水力特性,重现了抛物线型水气交界面,并将模拟得到水深、消力池底面流速、消力池底板压力与实验数据进行了比较,平均分别误差分别为:#3表孔左边水深7.1%,右边为7.4%;#3表孔底面流速为5%;#1表孔消力池底板压力7.6%,#3表孔消力池底板为6.6%。     

高拱坝表孔宽尾墩体型优化试验研究

高拱坝表孔溢流坝面短,作用水头低,堰前行进水流具有向心倾向.宽尾墩消能工应用在高拱坝泄洪表孔必须与此特点相适应.本文对宽尾墩应用在高拱坝坝顶泄洪表孔的体型布置进行了试验研究.结果表明,宽尾墩应用在高拱坝表孔时,出口角度不宜采用挑角,而应采用俯角:采用较大的宽尾墩墩尾折角有利于水流的纵向扩散和减小水垫塘底板冲击动压;同时为避免拱坝曲率造成的水流径向集中现象,两边表孔宽尾墩应采用非对称体型设计.优化后表孔水流能够在竖向及纵向充分扩散,空中呈窄而高且长的流态,在水垫塘中横向分区入水明显,不仅使水垫塘底板冲击动压减小和冲击点向下游偏移,而且为高拱坝表深孔水舌相互穿插无碰撞消能,减轻泄洪雾化创造了条件,对狭窄河谷中的高坝工程具有重要的工程应用价值.     

不同台阶数的过渡阶梯对阶梯溢流坝面压强及消能特性的影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工很好的解决了我国由于大单宽流量和高水头等引起的高速水流问题,该消能工常采用过渡阶梯连接宽尾墩与阶梯溢流坝。本文基于阿海水电站溢流表孔,应用水汽两相流VOF计算方法的三维RNG k-ε湍流数值模型,速度与压力采用PISO耦合的算法方式,利用几何重建格式对水气交界面附近进行插值的非恒定流迭代求解,对1个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯,2个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯,3个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯和原工况四种方案的宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行三维流场数值模拟。结果表明:各方案均在首级阶梯内产生负压,且前三种工况在首级阶梯固壁压强分布基本一致,竖直壁面最大负压均出现在桩号22.56 m附近,其最大负压(-0.899 k Pa)较原工况最大负压(-4.469 k Pa)小。同时前三种工况水平壁面最大负压(-0.597 k Pa)较原工况最大负压(-3.898 k Pa)也小。即过渡阶梯的台阶数对负压分布影响不大。在消能方面,有2个台阶组成的过渡阶梯对阶梯溢流坝的消能率最高(为34.205%),其中过渡阶梯的首级台阶对阶梯溢流坝的消能效果影响最大。     

锥形阀消力池优化试验研究

对崆峒水库输水洞平板闸门改建为锥形阀后的消力池进行了模型试验研究。锥形阀消力池内流态稳定，池末端水流没有直冲消力坎且没有明显的水面跌落，消能效果较好。试验结果分析表明：当流量不同时，消力池的最优体型亦有所不同。     

跌扩型底流消能工消能的试验研究

采用水力学试验方法,对跌扩型底流消能工的消能及其机理进行了初步分析和试验研究,详细分析了跌扩型底流消能工消力池内水流流态与水流结构,由此论述了该消能工的消能机理,又在试验成果的基础上从消减临底和临墙流速方面分析了跌扩型底流消能工的消能作用。研究成果表明,跌扩型底流消能工,由于跌坎和突扩的存在,大大减小了临底和临墙流速,提高了消能效果。     

阳江抽水蓄能电站下库溢洪道消能研究

阳江抽水蓄能电站下库溢洪道具有泄流落差和单宽流量较大、陡槽段平面转弯等特点,溢洪道的急流冲击波和消能问题较突出。通过水力学模型试验研究,在弯曲陡槽段进口上游设置"底流消力池 T型消力墩"的一级消力池、弯曲陡槽段内设置斜向高低坎和陡槽段内设置外凸式阶梯跌坎等辅助工程设施,改善了溢洪道泄流流态,妥善解决了溢洪道消能问题。     

非对称Y型宽尾墩体型对阶梯掺气空腔长度及负压的影响研究

为了研究Y型非对称宽尾墩体型对阶梯掺气空腔长度和空腔负压的影响,本文采用水气两相流VOF方法的三维RNG k-ε紊流模型,利用几何重建格式进行水气面附近的插值,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,用非定常流算法逼近定常流的稳定解,对宽尾墩收缩比分别为0.598、0.497和0.445的Y型非对称宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的阶梯掺气空腔长度和阶梯压力分布进行了数值模拟,模拟范围从上游库区至下游消力池尾坎。并对阶梯掺气空腔长度进行实验,将所得实验结果与模拟结果进行对比,发现计算阶梯掺气空腔长度与实测空腔长度基本吻合,最大误差为9.7%。模拟结果显示,随着非对称宽尾墩收缩比减小,阶梯掺气空腔长度逐渐增大,且侧收缩角较大一侧的空腔长度是侧收缩角较小一侧空腔长度的4~5倍。空腔负压随收缩比减小而减少,但阶梯负压分布范围逐渐扩大,各级阶梯外边缘均出现负压,空腔内最大负压出现在首级阶梯垂直固壁面上。