海潮影响下低水头水闸消能结构优化研究

低水头水闸下游消能属于低弗劳德数水跃消能,容易发生波状水跃、消能不充分等消能问题,尤其在海潮影响下,水位变幅大,消能问题更加突出。为此,结合晋江滨海新区填海造地工程~#1水闸模型试验,针对原设计一级消力池容易形成波状水跃和消能率低的问题,提出了二级消力池的消能结构,并对消力池池长、池深、尾坎高程和辅助消能措施进行了综合优化。结果表明,优化后的二级消力池消能结构,改善了水流流态,提高了消能率,研究结果可为类似工程借鉴参考。     

空间淹没水跃流态特征数值计算

空间水跃可使局部范围内水流紊动剧烈,提高水流稳定性和消能效率,消能效果较好。为探讨空间水跃的流态特性,基于RNGκ-ε紊流模型和流体体积函数(VOF)自由表面处理方法,建立了三维紊流数学模型,数值模拟了突扩比为0.833、0.667、0.500、0.333等4种空间水跃情况,讨论了不同突扩比下空间淹没水跃的流态及漩涡演变规律。结果表明,空间水跃下游流态存在左右摆动、主流轴线聚集等现象,当突扩比小于一定值后,在水跃发展过程中将产生游离的立轴漩涡。研究成果为空间水跃在水利工程中的应用提供了理论依据和参考。     

非对称平行水跃水力特性研究

通过两孔平底泄洪闸物理模型试验,对比研究了非对称平行水跃和传统水跃的水跃特性,揭示了非对称平行水跃的消能机理,探究了其能量耗散、共轭水深比、水跃旋滚长度与闸门开度比之间的关系。结果表明,非对称平行水跃中水流横向扩散增大了平行射流面积,除形成大幅度横轴旋滚外,还激起局部立轴旋滚,增强了相邻水股剪切紊动,加剧了能量耗散;相较于传统水跃,非对称平行水跃能显著降低跃后水深及缩短水跃长度;结合试验数据提出共轭水深比、水跃旋滚长度计算经验公式,经验公式拟合效果较好,精度较高,可为同类工程设计提供参考依据。     

一种新型燕尾坎消能工的流态和消能分析

为了提高孔洞类泄水建筑物的出口消能率,同时避免出口水流堵塞和空蚀破坏,提出了一种带跌坎和反坡的燕尾坎消能工。物理模型试验表明,燕尾坎中间槽的作用使出流分成两股,水流纵向拉伸,减小了落点水舌的平均流速,并使水舌掺气增加,消能率提高;设置跌坎和反坡,通过跌坎掺气和反坡对中间股水流的引导作用,避免消能工的空化和出口流动的水流阻塞,并在中间反坡的引导下,中间水舌按预设方向入水。与传统连续坎消能工相比,该消能工消能率提高15%左右。在分析消能率影响因素的基础上,给出了所提消能工消能率的经验表达式,为孔洞类泄水建筑物的出口消能设计及施工提供了参考依据。     

坎控底射混合流在新集水工模型中的试验研究

结合新集水利枢纽模型试验,针对其泄洪时水流佛氏数低且发生二次水跃的特点,在消力池尾部设置一定高度的跌坎后,水流过坎形成跌水与二次水跃的联合流态,即坎控底射混合流。通过对跌坎高度（共轭比）的试验比较研究了坎控底混流的运动规律、消能特性及其控制因素。试验结果表明,一次水跃后产生的坎控底混流能有效地改善下游流态及河床流速分布、提高消能效率,且在上下游水位差很小且佛氏数很低的条件下,共轭比对底射混合流的消能率大小起控制作用。     

金王寺水库共用消力池水工模型试验

针对金王寺水库共用消力池原方案中进口的中隔墙长度偏短,导致泄洪洞出流受溢洪道水跃影响,出口存在回水拍打洞顶的现象,根据模型试验提出延长中隔墙和泄洪洞出口段的措施,以减小二者出口流态的相互干扰,消除水跃回水拍打洞顶的威胁。结果表明,该措施有效可行,说明共用消力池水力设计重点是要处理好进口汇流处水流的相互影响,联合泄洪时应尽量使消力池内主流处于中轴线上,以充分发挥消力池的消能作用。     

潜没式三角翼体对闸后突扩水跃的影响

针对泄水闸少数孔开启时,下游渠道形成主流受压缩的三元突扩水跃问题,建立1∶100的水工试验模型,并采用潜没式三角翼体作为辅助消能工控导水流,分析多种工况条件下跃前断面的水流流态。试验结果表明,潜没式三角翼体通过减小主流的单宽流量,重新调整了跃前断面动量与水位的分布,提高了跃前断面水流的整体稳定性,并缩短了泄水口至跃首断面间急流段的长度,改善了下游水流的衔接消能,效果良好。研究成果可为实际工程应用提供技术支持。     

大型高落差水闸水力特性模型试验研究

为了准确研究和确认大型高落差水闸的泄流能力和水跃等水力特性,以辽宁省开原市清河闸为例,制作了高落差水闸的水工模型并进行了试验,比较了高落差水闸的上、下游水位流量关系的理论和试验结果,观测了水闸消力池内水跃发生位置及跃前水深、跃后水深、水跃长度等。结果表明,水闸泄流能力模型试验结果与理论计算结果吻合较好,泄流能力能够满足设计要求;各特征流量下,水跃长度、跃后水深与设计值基本相符,消能效率达30%,消能后弗劳德数降为0.32,说明跌坎式消能工的消能效果较好。     

角木塘水电站消能措施优化研究

以角木塘水电站的泄水建筑物（溢流堰和消力池）为研究对象,对原设计尺寸下溢流堰发生严重淹没水跃、消力池消能效率低下的问题,采用水工模型试验观测流态、测量流速、水深等特征值,计算水流收缩断面处的佛氏数和消力池的消能效率。据此提出修改泄水建筑物体型、调整消力池长度和增设辅助消能工等优化措施,从而提高了泄水建筑物的消能效率     

高拱坝无碰撞泄洪表孔水舌纵向拉伸方法试验研究

为实现峡谷中高拱坝表、中(深)孔无碰撞消能,需在坝身孔口布置中引入收缩式消能工,但表孔水头低,出口流速低,单一措施很难实现水舌纵向拉伸。对此,采用1∶50整体水工模型试验,通过设置三种表孔出口体型,研究了某高拱坝表孔水舌纵向拉伸方法。结果表明,除宽尾墩外,楔形体应用于高拱坝表孔也可实现水舌纵向拉伸;调整表孔底板坡度可为水舌纵向拉伸创造条件,对表孔底板出口进行一定尺寸透空可进一步纵向拉伸并稳定水舌;随着水舌纵向入水长度的增加,流量分布更均匀,水垫塘底板冲击压强峰值亦随之减小。     

消力池渐变段体型对消能效果的影响

针对黄金坪泄洪洞消力池受地形地质条件的限制,消力池长度明显不足、水跃跃首流态较差、消能效果不理想的问题,通过水力学模型试验,调整优化了泄洪洞出口跌坎高度、挑角及坡度体型,并观测了消力池水流流态、水面线、临底流速、底板压强、出口流态和流速等水力特性指标。结果表明,与原设计方案相比,调整体型后的消力池流态得到了很好地控制、消能效果增强,消力池出池水面跌落和流速均有所减小,各项水力学参数指标满足设计要求,通过体型优化实现了在原有消力池长度条件下改善流态和增强消能的目的。     

过水围堰溢洪流场试验与数值模拟分析

针对过水围堰溢洪流场特征系统研究较缺乏,数值模拟分析较少的现状,通过制作过水围堰溢洪的专门水工试验装置,结合数值模拟开展系统的水力特性研究并对比分析水面线、流速分布及压力的试验值与数值计算值。结果表明,过水围堰溢洪最大流速出现在消能平台进口附近,前部流速分布表现为底层流速大、表层流速小;消能平台底板承受水流转向的冲击力,压力随泄流量增大而增大。消能平台承担消能防冲任务,水流特性对围堰结构稳定至关重要,研究成果可为改善消能平台结构设计提供依据。     

猴子岩水电站多级洞塞泄洪洞水力特性试验研究

通过物理模型试验和数值模拟计算,对比研究了不同有压出口高度时多级洞塞泄洪洞各项水力特性参数,分析了出口高度对泄洪洞泄流能力、洞身压强及消能率的影响。结果表明,随着出口高度的降低,泄洪洞泄流量减小,流量系数增大;洞身压强整体呈增大趋势,出口压坡高度的变化主要对洞塞及其以后洞段的壁面压强影响较大,而对上平段影响相对较弱;泄洪洞整体消能率逐渐减小,出口高度对竖井洞塞和压坡洞塞消能率影响较大,而对水平洞塞组的消能率影响甚微。     

转叶孔板螺旋流消能的影响因素试验分析

为解决供水工程中的过剩水头问题,常在有压输水管道中配置合适的消能装置,转叶孔板螺旋流消能是一种新型的内消能方式,通过转叶孔板螺旋流消能装置的水力特性试验,可知影响转叶孔板螺旋流消能效率的主要影响因素有雷诺数Re、转叶孔板开口角度和孔板之间的相互扭转角度,还有试验装置结构的设置。根据试验数据计算分析各个影响因素对消能效率的影响。结果表明,转叶孔板螺旋流消能效率与转叶孔板之间的扭转角成正比,与雷诺数成正比,与转叶板的开口角度成反比。试验装置在进口段和出口段设置管径突变均对消能有利,该装置比与其消能原理类似的孔板消能装置更实用,且消能效率更高,对下游建筑物设施起到良好的保护作用,可推广应用。     

高坝块体护底水垫塘水动力特性研究

为寻求水垫塘防护理念上新的突破,结合目前研究现状,针对高坝挑流消能防冲护底问题,采用模型试验与数值模拟相结合的手段,分析和模拟了挑流消能的关键问题——塘消能与冲刷过程,比较了传统平底水垫塘和块体护底水垫塘的水流形态、塘内水面线、流速分布及底板压力,得出冲击区的抗冲块体能明显降低水流对结构的破坏能力,块体护底水垫塘可缩减传统水垫塘尺寸。     

折坡扩散消力池水跃共轭水深计算方法及水跃长度、消能率分析

为了解折坡扩散消力池的水跃特性及相关参数、判别其消能效果,通过模型试验的方法对折坡扩散消力池水跃进行了研究,提出了共轭水深计算公式,分析了水跃长度、共轭水深比、消能率等相关水力参数及其变化规律。结果表明,在试验条件下,公式计算结果与实测值相比误差较小,精度较高;水跃长度与共轭水深比、佛劳德数均遵循正比例变化规律;水跃消能率与佛劳德数呈正比。