突扩式水跃跃长的计算公式推导与验证

水跃长度为突扩式消力池设计的重要参数,对消力池安全稳定以及经济合理的影响效果显著。通过建立水跃区水体质点的运动方程,研究突扩式消力池水跃跃长的变化规律。提出了突扩式水跃跃长的半理论公式,并用已有文献的实测数据对其进行验证。研究表明突扩式消力池水跃长度是跃前断面弗劳德数、跃前断面平均水深、水跃共轭水深比和消力池突扩比的函数,并随着跃前断面弗劳德数、跃前断面平均水深和水跃共轭水深比的增大而增大。结果显示,公式计算的突扩式水跃长度平均误差为4.32%,在5种体形共48组工况下只有5组工况的水跃长度相对误差>10%,且最大相对误差为-12.52%,其余工况下相对误差均<10%。     

考虑扩散比影响的突扩水跃共轭水深计算研究

目前对突扩水跃消能中的跃后水深的理论研究还尚不成熟。根据已有文献的实验资料,对突扩式水跃回流区平均水深做出了假设,运用动量定理推导了计算突扩水跃共轭水深的理论方程,用实验资料确定了有关参数,得到了较高的精度计算方程,并利用实验资料与已有的几种共轭水深方程进行了比较。结果表明:新方程计算的跃后水深与实际更加相符。     

渐扩式水跃跃后水深的计算

分析渐扩式水跃局部阻力系数随一般二元水跃局部阻力系数变化的规律,利用能量方程推导渐扩式水跃跃后水深的计算公式,得出了渐扩式水跃新的计算方法和跃后水深新公式,通过实际工程和已有公式对其正确性进行了验证。分析认为,在工程应用范围内(扩散角θ9°),渐扩式水跃局部阻力系数与二元水跃局部阻力系数呈对数关系;提出的共轭水深新公式能满足工程运用要求,并且计算的跃后水深随着跃前断面弗劳德数的增大与已有公式计算的跃后水深值的偏离程度逐渐减小。     

突扩式水跃共轭水深的直接解及验证

由于泄水建筑物下游的地形条件,突扩散水跃被广泛地应用于泄水建筑物下游消能防冲设计。文章建立了突扩水跃方程并用实验验证了它的直接解。在分析水跃段水流形态的基础上对突扩式水跃始端端墙断面压力作出假设,认为回流平均压力是水跃跃首压力、水跃跃末端压力及水跃扩散比的函数。然后,根据动量原理推导出突扩式水跃共轭水深的水跃方程。通过实验给出了回流水深计算式中有关参数的经验公式。建议了突扩式水跃共轭水深水跃方程的显式直接解。突扩式水跃共轭水深水跃方程的计算结果与实验的对比表明,平均误差为5.564%,具有高的精度;与改进前突扩式水跃共轭水深水跃方程的计算结果对比说明,误差小于5%的实验组次增加了15组,占总实验组次的比例提高了16.5%,计算精度明显提高。而且计算过程简单,因此,可以用于水利水电工程的水力计算。     

R型水跃局部水头损失系数与跃后水深的计算

通过能量方程研究R型突扩水跃局部水头损失系数,完善水跃跃后水深计算的理论方法,为消力池跃后水深的计算提供新的思路。通过建立消力池出口扩散断面和跃后断面的能量方程,分析R型突扩水跃局部水头损失系数和水跃水深比的变化规律。结果发现:R型水跃相对局部水头损失系数是突然扩散断面弗劳德数和消力池突扩比的函数;相对局部水头损失系数既服从线性分布,又服从乘幂分布;水跃水深比是跃前断面弗劳德数和消力池突扩比的函数。提出了局部水头损失系数和水跃水深比的计算公式,并分别对其进行了验证。     

突扩式水跃跃长及跃后水深简化计算

针对目前突扩式水跃跃长及跃后水深求解公式存在的计算过程繁复、误差大、适用范围有限等问题,依据现有突扩式水跃试验实测数据成果,在对相关参数曲线特性全面分析的基础上,采用优化拟合技术,通过对多组备选函数的拟合逼近,获得了计算过程简捷、适用范围广的简化计算公式。精度分析表明,该公式求解水跃及跃后水深的最大相对误差分别为9.75%和8.84%,均小于现有公式的计算误差。     

突扩式消力池R型水跃的长度特征分析

根据已有文献对突扩式消力池R型水跃的试验成果,分析突扩式消力池R型水跃主要特征长度—回流扩散段水平长度、射流长度及旋滚长度的变化规律。研究表明,回流段水平长度是扩散出口断面弗劳德数和消力池上下游断面宽度差的函数;相对射流长度随出流扩散断面弗劳德数的增大而增大,随消力池突扩比的增大而减下;水跃旋滚长度随扩散出口断面弗劳德数和扩散出口断面水深的增大而增大,随消力池突扩比、跃后断面水深与扩散出口断面水深比的增大而减小。提出了R型水跃射流长度及旋滚长度的计算公式,并用已有文献资料进行了验证。     

波状床面消力池水跃特性试验分析

研究波状床面水跃共轭水深和水跃长度对于波状床面消力池的设计极为重要。根据已有文献关于波状床面消力池水跃特性的试验资料,分析波状床面消力池共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度和水跃区消能率随跃前断面弗劳德数、壁面粗糙高度、跃前断面和跃后断面水深的变化规律。给出了波状床面水跃跃后水深的半理论公式和水跃旋滚长度、水跃长度的拟合公式,并对其进行验证,水跃共轭水深的平均误差分别为4.5%和3.3%,水跃旋滚长度和水跃长度的平均误差分别为7.4%和5.9%。研究表明,水跃跃后水深和水跃长度不仅是跃前断面弗劳德数的函数,还是壁面粗糙高度的函数;波状床面消力池水跃区消能率远大于一般混凝土壁面消能率,在相同弗劳德数情况下水跃区消能率随着壁面粗糙高度的增加而增加。     

闸后三元突扩水跃特性初步研究

突扩多孔水闸开启少数闸门时,闸后水流在局部范围内紊动剧烈,形成流态复杂的三元突扩水跃。为了探究不同突扩比对闸后水流流态的影响,基于重力相似准则,以某拦河闸为原型设计试验模型,通过调节上下游水位、闸门开度等初始条件,对突扩比分别为0.296、0.378、0.552、0.630四种空间突扩水跃进行了多种工况下的模拟。在忽略渠道摩阻力条件下,对形成的抵挡水跃所需尾水水深的公式进行了修正,发现当闸门单孔流量和单宽流量相同时,二元平面水跃的跃长均大于空间突扩水跃跃长。     

平底突扩断面水跃共轭水深分析计算

基于平底突扩水跃形成机制,认为突扩断面回流区平均水深取决于突扩断面上游渠道的能量水头及断面突扩比等。假定突扩断面回流区平均水深等于突扩断面上游渠道能量水头乘以修正系数,通过实测资料分析,建立了修正系数与上游渠道弗劳德数以及断面突扩比的关系式,并将突扩断面回流区平均水深代入平底突扩水跃共轭水深一般方程,得到了跃后水深计算公式。经实测资料验证,本文跃后水深计算公式计算结果与实测资料符合良好,误差较小。     

设计综合式消力池的简便计算

水流经过水闸、溢流坝等水工建筑物，下游消能有时需要采用综合式消力池方案，笔者在研究单纯确定池深和坎高的基础上，导出计算综合式消力池的迭代公式，使得计算方便，而且精度能够保证。     

Slide软件在水闸渗流计算中的应用及分析

土质地基上水闸基底渗透压力计算对水闸的防渗排水设计较为关键,改进阻力系数法作为一种近似计算方法,由于精度较好已被推广采用,但地下轮廓复杂时计算过程十分繁琐,技术规范要求复杂土质地基上的重要水闸采用数值计算法求解。结合工程实例,采用Rocsciencee公司研发的Slide有限元软件对闸基渗流问题进行计算,并与改进阻力系数法和Autobank有限元分析法的计算成果进行对比,相同工况下3种计算结果表明:Slide软件可较好的解决水闸渗流计算问题,成果可靠、计算高效;数值计算法得到的渗透坡降较改进阻力系数法偏安全,获得的渗流要素更为全面、直观。     

导流墙对闸后三元水流特性的影响

为避免或减轻多孔水闸少数孔开启时产生的突扩式三元水跃及次生二次水跃对闸后防冲设施及河道的冲刷破坏,针对平板闸门单孔开启和连续3孔开启情况,在消力池中分别设置4种不同长度导流墙,通过物理模型试验和三维数值模拟研究了相应水跃特性及流速、流态特征。模型比尺采用1:100,数值模拟采用RNG k-ε紊流模型和VOF方法。结果表明:在连续3孔闸门开启,闸门开度为1 m的试验条件下,导流墙长度为消力池长度的50%, 60%, 75%和100%时与未加导流墙情况相比,跃后水深分别降低了4.16%, 1.66%, 1.94%和2.22%;二次水跃距离分别缩短了17.14%, 14.29%, 2.86%和1.43%。导流墙长度为消力池长度的50%时跃后水深与二次水跃距离降幅最大,海漫上流速分布更加均匀。试验结果可为闸下消能设计和工程运行管理应用提供借鉴和参考。     

扩散型梯形翼墙消力池最不利消能工况计算研究

针对目前消能计算大多适用于矩形断面情况,根据水力学理论、数学函数理论及无量纲原理对扩散型梯形翼墙水闸最不利消能工况进行研究,推导出扩散型梯形断面相对收缩水深、相对跃后水深的解析计算公式。通过Matlab软件数值分析及数学推导给出了受潮位影响的沿海挡潮排涝闸消力池池深极值、水跃长度极值的简捷计算公式,并通过工程实例计算比较,该解析计算式方便简捷、精度可靠。     

水闸改进阻力系数法的电算方法

闸基渗流是水闸设计的一个重要内容。对于闸基的防渗设计 ,《水闸设计规范》(SL2 6 5 - 2 0 0 1)推荐采用改进阻力系数法或流网法进行防渗计算。根据改进阻力系数法的计算原理 ,提出用电算方法进行渗流计算 ,给出了编程的步骤和框图。通过算例 ,说明采用电算方法进行计算的结果精度高、计算方便 ,值得在工程应用中推荐     

等宽矩形断面挖深式消力池深度计算方法研究

为计算等宽矩形断面挖深式消力池深度,构造以收缩断面水深为横坐标,消力池深度为纵坐标的函数。作出相应函数的两条曲线,其交点的横坐标即为收缩断面水深。对曲线进行离散化,推导了收缩断面水深的表达式,进而推求出消力池深度及跃后水深。     

池末尾坎自由出流的消力池布置研究

池末尾坎自由出流的拦河闸下游消力池流态较复杂,其水力特性和体型布置是工程设计和运行关心的问题。通过水力模型试验研究,对尾坎自由出流的消力池池长和消力池末端尾坎高度的关系进行分析,提出消力池体型布置方法:首先在消力池水平段池底高程选定的基础上,根据消力池进口断面弗劳德数,初选池末尾坎高度;其次通过调整尾坎高度和计算尾坎顶水深,使两者之和与跃后水深的比值在1.15~1.2之间,则消力池水平段池长与跃长的比值可减小至0.8~0.85。该方法可较合理地确定尾坎自由出流的消力池水力和体型参数。     

邵仙套闸闸基渗流分析

在水闸设计和运行管理中,闸基渗流计算往往占有重要的位置.现分别采用改进阻力系数法和基于有限元法的Gei-Slope计算软件,计算了5种不同上下游水位组合的邵仙套闸闸基渗流,依据现场观测结果和计算结果,对改进阻力系数法和数值计算方法的计算精度进行了比较分析.该成果对邵仙套闸工程今后的运行管理有一定的实际指导意义,对今后同类型工程的设计也有一定的参考价值.     

基于明满流瞬变计算方法的大型灌区输水隧洞最优泄水流量计算

为了明确输水隧洞内的明满流水力瞬变过程以及优化泄水闸的泄水流量,介绍了圆形输水隧洞中明满交替水流水力瞬变计算原理和方法。以某大型灌区干渠工程为例,根据窄缝法计算原理,采用显式差分中的扩散法,对圆形输水隧洞中的明满交替水流进行了水力瞬变计算研究。给出了圆形隧洞瞬变流计算的水力要素计算公式,得到了输水流量变化时隧洞不同断面的水深或压力随时间的变化曲线。结果表明:当圆形隧洞水位封顶时,隧洞中的水压力越靠近下游断面,压力突升越剧烈;明流状态下节制闸关闭时间对隧洞内最大水深影响较小,隧洞内的最大水深随着泄水闸泄水流量的增加呈线性减小的趋势,根据数值模拟计算给出了泄水闸合理的设计泄水流量。研究成果可为输水隧洞工程的设计提供借鉴和参考。