低水头水闸下游消力池长度优化研究

低水头水闸下游消力池的水流条件较复杂,水闸出流条件(自由出流、淹没出流)对闸下游的流态和水跃长度影响较大。通过水力模型试验研究,提出了水闸闸门全开敞泄、宣泄最大流量运行条件的下游消力池长度的计算方法:水闸出流为自由出流时,可按现有的水闸设计规范的方法计算消力池长度;水闸出流为淹没出流时,闸下游水跃长度较短或呈无水跃状态,此时,可采用水闸上游为正常蓄水位、闸门控制下泄最大开度泄量计算消力池长度。研究成果可合理地计算和选取低水头水闸下游消力池长度,在确保工程安全运行的前提下,大大节省工程投资。     

小石峡水电站导流兼深孔泄洪洞消能工优化试验

通过新疆库马拉克河小石峡水电站导流兼深孔泄洪洞原设计方案的消能工试验,发现消力池内发生淹没水跃,水跃旋滚区与闸后射流相叠加,使陡坡段水流剧烈脉动。为了防止护坦段在较大的动水荷载下发生振动和破坏,采用在消力池内设置不同于传统布置方式的悬栅式消能工的方式,即从闸后陡坡末端起布置悬栅,悬栅的安装高度随水跃跃高逐渐抬高,呈台阶式布置。试验表明,台阶式布置悬栅起到了破碎水跃上部剧烈回旋运动的表面旋滚的作用,增大了回流的阻力,从而使水跃向下游移动,由淹没式水跃转化成稍有淹没水跃;在悬栅作用下,陡坡段和消力池内水流脉动明显减弱,浪花溅起高度明显小于加悬栅前的高度,这种悬栅布置方式可为其他同类工程提供参考。     

陡坡后消力池内水跃的数值模拟

利用三维RNG k-ε紊流模型和体积率(VOF)跟踪自由水面的方法,对4种不同工况、相同坡角的陡坡后消力池内的水跃特性进行了数值模拟,并与模型试验结果进行了对比.结果表明,不同工况下消力池内水面线特征、流速和水跃长度与模型试验吻合较好,陡坡后消力池内淹没水跃长度大于自由临界水跃长度.同时,数值计算与试验结果均表明,陡坡后消力池内水跃长度不能按照平底矩形水跃长度计算公式进行计算,必须考虑淹没度的影响,从而有效避免陡坡后消力池设计中的不足.     

跌坎深度对扩散式泄槽底流消能水力特性影响试验研究

对于高水头泄水建筑物而言,为了降低出口单宽流量,减轻下游消能压力,通常在出口设置扩散式泄槽。突扩式底流消力池增设跌坎,可避免水流直接冲击消力池底板,降低底板力学指标。通过水工模型试验,基于一定的边墙突扩宽度,研究突扩式消力池在不同跌坎深度下底板临底流速、时均压强、脉动压强的变化。成果表明:跌坎深度为5 cm时,消力池内水流流态介于临界水跃向远驱式水跃过渡区间,临底流速最大,时均压强最小;跌坎深度增加至10 cm时,消力池能够形成稳定的淹没水跃,临底流速明显减小,时均压强明显升高;跌坎深度进一步增加至15 cm时,消力池内淹没程度继续增加,临底流速继续减小,时均压强继续增加,但变幅均不大。     

宽尾墩三元水跃特性试验研究

通过传统二元水跃与宽尾墩三元水跃形成及发展机理的类比,借助水工水力学模型试验,对宽尾墩三元水跃特征跃高Ht、特征跃长Lt与来流流能比K之间的关系进行了研究,研究结果表明：微淹没临界状态下的宽尾墩三元水跃特征跃长与跃高均可回归为流能比的一次线性函数,流能比较小时,三元水跃跃高比二元水跃略低一些,随着流能比的增加,两种水跃跃高趋于相同;宽尾墩三元水跃跃长比二元水跃减小约50%,随着流能比的增加,减小幅度还会有所增加。利用经验式对已建或在建工程消力池体型参数进行了计算分析,分析结果表明,普通消力池长度与设计工况下的三元水跃跃长比较接近,而戽式消力池长度约为计算跃长的0.2～0.5倍,下游河道跃后水深比随着流能比的增加呈现减小趋势。     

幸福堰水闸除险加固布置及水力设计

针对幸福堰水闸除险加固工程,重新布置水工建筑物;综合考虑水闸不同的运行方式,分别计算排水过程(闸孔出流或堰流)及相应下游共轭水深,判别下游是否发生淹没水跃,确定是否需要消力池,寻找最不利工况,确定消力池的尺寸;并校核了水闸的综合过流能力,为幸福堰水闸除险加固设计及施工提供依据。     

某水库消力池体型优化试验研究

消力池作为溢洪道的重要组成部分,其设计与布置上的不合理,将导致工程在运行过程中出现,如毁坏下游岸坡,冲刷下游河床底板等工程问题,造成损失。某工程原设计溢洪道不能在出口的消力池内形成淹没水跃,导致消能效果低下。就具体问题,建造物理模型,按规范要求在模型中进行相应的结构和尺寸整改,主要优化溢洪道尾端消力池,并进行了试验。试验结果表明,方案二具有理论和工程上的可行性。     

淹没水跃的逆向流速

本文描述了对溢流建筑物下游产生的淹没水跃进行的试验研究。当下游明渠的尾水深度超过亚临界水深时，即产生淹没水跃。这种情况很常见，特别是在低溢流结构中。淹没水跃产生的涡流具有巨大的逆向自由表面流速，这种现象经常使粗心游客受伤害，因此又被称为“淹没机器”。通过理论推导和试验论证，我们定量分析了在各种水力上的危险高流速。     

淹没扩散水跃

绪言有些情况下,希望在控制闸下游采用扩散式消力池。这类水池边墙顺水流方向扩大,由于出口过水断面较大,因而允许使用尺寸小的控制闸门。在加拿大大安大略湖的华来土堡(Wallaceburg)附近的达西·麦克奥夫(W·Darcy Mekeough)坝和引水建筑物就是这种结构(参考文献7)。该建筑物有二扇宽为24呎(7.3米)的泄水闸门,下接扩散角为4.76°的扩散消力池。这类结构设计的特点是予计在最不利的运行条件下,消力池内仍然产生自由水跃,而在大多数情况下消力池内都出现淹没水跃。自由扩散水跃的特性已由阿尔伯哈伯海勒马·阿贝詹德罗(Arbhabhirama Abejandro)     

低水头、大单宽流量泄洪消能方式研究

对于具有低水头、大单宽流量、低佛氏数、深尾水以及下游水位落差变幅大等特点的泄洪消能问题,其过流特点是:由于闸下跃前水流的佛汝德数较低,消力池内水垫较深,水流下泄后下游水位对闸室水流和消力池内水流流态影响较大。通过水工模型试验研究,提出了采用淹没式宽尾墩消力池联合消能方式。在闸室末端采用宽尾墩后,水舌沿纵向拉伸扩散,消除和抵消了常规的等宽闸墩情况下出现水跃的来回震荡现象,水流经宽尾墩收缩后,以淹没射流形式进入消力池,池内水流具有三维射流特性,消力池内产生横、纵向扩散和剪切、掺混,加强了消能效果,达到了稳定水跃、分散水流、加强紊动剪切和掺混的目的,较好地解决了下游河床的消能防冲问题。     

水垫塘的水流特征及其综合评价指标

 高坝下游挑跌水流在水垫塘内的流态是相当复杂的。定性上可看作为淹没冲击射流和淹没水跃流的混合流态。一方面射流入水后沿程不断扩散，在冲击区对水垫塘底部产生巨大的冲击压力，具有淹没冲击射流的特征；另一方面在冲击区下游，高速主流贴近床底并沿程扩散和迅速跃起，同时在主流区的顶部形成较大的表面漩滚区，流态特征类似于淹没水跃流。针对这种混合流态，提出一个综合评价水垫塘消能效率的新指标，以便为水垫塘设计提供科学依据。     

典型非稳态水跃现象的数值研究

采用VOF模型跟踪自由表面的变化,数值模拟了典型水跃湍流由静止到最终稳定的全过程。本文给出了水跃现象在不同时刻自由表面的变化情况,主要对水跃过程中自由表面的形状、内部流场结构、速度矢量场及压力场分布进行了分析。结果表明,VOF模型能够有效地描述水跃这类复杂自由表面流道的湍流特性,具有可行性与实用性。     

改进的突然对称扩散水跃方程

泄水建筑物下游的消能防冲是水利工程设计的重要问题。突然对称扩散水跃是消能的一种基本形式。为了研究突然对称扩散水跃共轭水深的水力特性,根据动量原理建立了突然对称扩散水跃共轭水深方程。发现突然对称扩散水跃始端扩散断面的回流平均水深ｈ３可以表示为跃前断面水深ｈ１和跃后断面水深ｈ２的函数,即ｈ３＝ｈ１＋αｈ２。根据大量实验资料,给出了系数α随着突扩比β变化的函数关系式。本文建议的方程能够很好的与实验吻合一致。在已有的计算方法中,本文方程与实验结果的平均误差和最大误差最小。因此,本文方程可以应用到实际问题的水力计算。     

折坡扩散型消力池的水跃特性试验研究

折坡扩散型消力池在中小型水利工程中经常采用,消能效果良好,能较好地适应地形变化。但由于其边界条件的复杂性,对其水跃特性的研究较少。通过水工模型试验,对不同工况下折坡扩散型消力池的水跃流态、跃长、跃后水深等水跃特征进行了研究。分析对比了在相同来流条件下,平底等宽型、折坡等宽型、折坡扩散型消力池的跃后共轭水深。结果表明,相同来流条件下,相较于等宽型消力池,折坡扩散型消力池因其单宽流量较小,可以更好地适应下游水深,且所需消力池深度更小。     

葛洲坝二江泄水闸弧形闸门振动研究

为预测葛洲坝工程二江泄水闸弧形闸门在淹没水跃作用下的振动响应,先后做了闸门水跃荷载及动态特性两个室内模型试验,预测闸门是安全的。在工程竣工后,作了原型观测,证实了这一论断。研究表明:(1)总水跃荷载均方根不超过设计静荷载的5％;(2)振幅响应均方根为0.05mm;(3)荷载主频率远低于闸门基频,动力放大系数可取为1。     

矩形明渠消力池水跃的水头损失研究

为了研究沿程水头损失与局部水头损失的变化规律,根据沿程水头损失的基本定义,推求矩形明渠消力池水跃区沿程水头损失与床面阻力系数、水跃共轭水深比、跃前断面宽高比及跃前断面水深的理论关系,提出了矩形明渠水跃区沿程水头损失及其系数和局部水头损失系数的理论公式,给出了沿程水头损失系数、局部水头损失系数和总水头损失系数的简单拟合公式。研究表明:沿程水头损失随着跃前断面水深和床面阻力系数的增大而增大,随着水跃共轭水深比和跃前断面宽高比的增大而减小;局部水头损失系数随着跃前断面弗劳德数的增大而增大;水跃区局部水头损失占比随着弗劳德数的增加而增加,弗劳德数为3时的局部水头损失占比达到90%,弗劳德数为6时的局部水头损失占比已达到95%以上。研究成果可进一步完善并丰富水跃理论体系。     

宁夏引黄灌区干渠直开口出流流态及流量分析

宁夏引黄灌区干渠直开口(斗口)结构是闸门加涵洞的结合体,水流通过闸孔在涵洞中呈现极为复杂的流态,有自由出流、淹没出流以及有压管流流态,并且交替变化。通过试验提出,当闸后某断面水深较小,且下游水深小于水跃的第二共轭水深时,可以按自由出流计算流量;当此水深小于或等于涵洞高度,且下游水深大于水跃的第二共轭水深时,可以按淹没出流计算流量;当此水深大于涵洞高度,且下游水深大于水跃的第二共轭水深时,可按有压管流计算流量。同时,提出了相应的流量计算公式,可供工程设计和管理使用。     

消力墩对水跃跃长的影响

介绍了利用改变消力池里消力墩的位置来讨论消力墩对水跃跃长的影响。得到的结论为：在相同条件下．消力池里前捧消力墩对水跃长度的影响比后排消力墩对水跃长度的影响大。     

底流消能中溢流坝体型对消力池的影响

结合某溢流坝水利工程,在采用底流消能,降低护坦高程形成消力池的情况下,通过基本的水力计算,分析比较了常规体型和优化体型溢流坝下游消力池的水力要素.计算结果表明,体型优化后的溢流坝,消力池的池深和池长都明显变小了,大大减小了坝体混凝土的用量以及消力池的开挖量,节省工程投资.在水工模型试验中,体型优化后的溢流坝消力池中水流...