大倾角、大收缩角泄槽收缩段水流特性研究

大倾角、大收缩角泄槽收缩段水流特性与Ippen冲击波理论假定的平底、小收缩角收缩段水流特性有明显的差异,目前对大倾角、大收缩角收缩段水流特性还缺乏系统的研究.为了研究大倾角、大收缩角收缩段水流特性以及倾角和收缩角对水流特性的影响,依托FLUENT软件,采用基于RSM湍流模型的三维湍流数值模拟方法,系统分析底坡倾角、边墙...     

大倾角、大收缩角泄槽收缩段边墙水深计算方法探讨

目前,泄槽收缩段冲击波的计算分析主要基于Ippen提出的冲击波理论,而该冲击波理论建立于收缩段为平底、小收缩角的条件,采用Ippen冲击波理论来求解大倾角、大收缩角收缩段冲击波问题,会产生较大误差。为了探讨大倾角、大收缩角收缩段边墙水深的计算方法,依托FLUENT软件,采用基于RSM湍流模型的三维湍流数值模拟方法,通过系统计算不同倾角、收缩角条件下收缩段的冲击波波前后水深,基于多元非线性回归分析方法,建立冲击波波前后水深比的计算公式。经初步验证,公式基本合理。     

明渠曲线渐变段体型求解新方法研究

明渠渐变段体型对渐变段中的水流形态有很大影响。为了解决明渠渐变段与下游水流的扩散衔接问题,消除明渠渐变段下游菱形冲击波的影响,根据冲击波特性和辐射水流基本关系,采用冲击波简化积分式,并考虑到渐变段水流与下游衔接,按刘韩生曲线边墙窄缝挑坎计算方法算出明渠曲线渐变段边墙体型,且该方法能够计算渐变段中的水面线。试验表明明渠曲线渐变段中水流平顺稳定且水面渐变升高。渐变段后水流正常,为均匀流,无菱形冲击波的影响,故能够解决水流扩散衔接的问题,该方法可以运用到明渠曲线渐变段边墙体型设计中。     

泄槽收缩段的急流（下）

急流收缩时会产生冲击波， 故边墙高度要比一元方程计算结果大得多。当收缩段的边墙为直墙时， 收缩段内可产生３ 种不同的波：（１） 收缩起始点下游的波；（２） 泄槽轴线上的波；（３） 收缩末端以外的沿墙波。引用激波数的概念， 在试验中针对不同的收缩比和底坡， 研究了三种波的特性， 并寻求削弱冲击波的措施。提出一种致偏体作为削波构件的建议， 并对非设计水流和阻壅水流作了研讨。     

泄槽收缩段的急流（上）

急流收缩时会产生冲击波， 故边墙高度要比一元方程计算结果大得多。当收缩段的边墙为直墙时， 收缩段内可产生３ 种不同的波： （１） 收缩起始点下游的波； （２） 泄槽轴线上的波；（３） 收缩末端以外的沿墙波。引用激波数的概念， 在试验中针对不同的收缩比和底坡， 研究了３ 种波的特性， 并寻求削弱冲击波的措施。提出了一种将致偏体作为削波构件的建议， 并对非设计水流和阻壅水流作了研讨。     

龙英水库溢流坝导墙收缩角对泄流水力特性影响试验研究

通过水工模型试验,观测不同收缩角时,导墙产生的冲击波对大坝泄流水力特性以及挑流消能的影响.结果表明:龙英水库由于溢流坝下游堰面水流流速大,相应的弗劳德数(Fr)大,导墙收缩产生的冲击波的传播速度远小于水流流速,冲击波波角小,冲击波只沿导墙边向下游传播,对非紧邻导墙的水流流态影响不大;当龙英水库大坝导墙收缩角不大于10°...     

窄缝挑坎收缩段急流冲击波特性的探讨

窄缝挑坎是五十年代国外开始采用的一种新型消能工。近年来,我国许多院校和科研单位对窄缝挑坎的体型和水力特性也开展了大量的研究,提出了许多有益的认识和建议。本文对窄缝挑坎收缩段的急流冲击波特性进行了较详细的分析研究,将窄缝挑坎收缩段的水流分为波前上游区和波前下游区两个不同流态的区域,对波前上游区水力要素的沿程变化规律作了初步的探讨。同时在伊本等人提出的急流冲击波计算公式的波前上游边界条件的基础上进行了修改补充,可用作窄缝挑坎收缩段边墙水面线的计算,并作为确定窄缝挑坎边墙基本尺寸均依据。     

溢洪道水流特性分析

溢洪道的控制段之后常设置收缩段，并且溢洪道的水流一般为急流，因此，在收缩段内特产生陡冲击波，使溢洪道内水流的流态复杂化。收缩段的水流特征应采用冲击波理论分析计算，只有正常陡槽段的水力计算才可采用能量公式。分析表明，由于收缩段和正常泄槽段的相对水位不同，特产生不同的水面衔接形式。大多数情况下，收缩段的陡冲击波控制滋洪道陡槽的过流能力与边墙高度。     

扭切式鼻坎挑射水流作用机理分析

针对扭切式鼻坎可以在平面上使出坎水流转向,改变水股落点方向,能够适应下游河道变化的情况,分别对出坎挑射水流(立面挑射水流、平面偏折水流以及底部斜射水流),采用连续性方程、动量方程、弯道超高经验公式结合冲击波理论进行机理分析,得出了坎内轴线立面挑射水流的水深和流速沿程变化规律、边墙偏转侧平面偏折水流水面超高经验公式以及底部斜射水流在出坎处的偏折角度。     

断面形态对弯道交汇水流环流结构影响的数值模拟

在模型试验的基础上,采用RNGκ-ε湍流模型和刚盖假定处理自由水面的数学模型,对有支流入汇的弯道水流进行数值模拟。分析在交汇角可变的情况下,不同的河道断面形态对弯曲交汇河段横断面环流结构的影响,发现在相同圆心角断面处,复式河道断面的环流个数较多。在两种断面形态中,交汇角的变化,对上游断面及交汇断面处的环流结构影响都较明显。但交汇区域下游,交汇角的变化,对偏V型横断面的环流数量的影响较大,对复式河道横断面的环流结构的数量影响较小。由此可知,断面形态对弯道交汇水流结构的影响在交汇区下游断面较明显。     

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF THE FLARING GATE PIER ON THE SURFACE SPILLWAY IN A HIGH-ARCH DAM

The experimental studies of the flaring gate pier applied on the surface spillway in a high-arch dam show that a shock-wave will appear when the pattern of the flow is kept as super-critical. Meanwhile, the water depth at the outlet increases significantly, the flow moves downward in different directions, and the plunging jet is in a narrow and long shape, with a full longitudinal diffusion. In addition, the variation of the flaring gate pier design parameters affects little the discharge capacity of the surface spillway, these parameters including the contraction ratio , the contraction angle and the spillway chute angle . The pressure on the bottom of the spillway increases along the way and reaches the maximum before the outlet, and then decreases rapidly. Due to the flow impacting, the pressure on both sidewalls increases abruptly at the turning line of the flaring gate pier. To see the characteristics of the flow in the flaring gate pier, a simple calculation method is suggested based on the conversation of energy and mass, and the calculation methods for the jet trajectory and the horizontal length in air are also proposed. The results are found in good agreement with experimental data.     

陡坡渠道急流冲击波

通过理论分析研究了底坡对急流冲击波的影响，并进行了相应的模型试验研究。在陡坡渠道上，波阵面不再是直线，冲击波的角度和深度之比不是常数，而是沿波阵面缓慢变化。文中提出一种近似方法计算急流冲击波的角度和深度之比；引进一个动水压强修正系数来概括垂直冲击波波阵面方向的动量方程；由于底坡的影响，沿着激震前沿来流的佛劳德数增大，因此在每一部分都提出了确定佛劳德数的方法。计算结果与试验结果吻合良好。     

输水隧洞坡角对侧式进/出水口水力特性影响研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口具有双向过流的特点,进/出水口自身体型参数对其水力特性具有很大的影响,但连接的输水隧洞布置型式也同样会影响进/出水口水力特性,若输水隧洞布置不恰当,将可能导致进/出水口出现不利的水力特性。利用RSM紊流模型,以某侧式进/出水口为研究对象,在进/出水口体型不变的前提下,研究出流工况不同隧洞坡角对进/出水口内部流态、拦污栅断面流速不均匀系数、水头损失系数及流量分配等水力特性的影响。结果表明,当隧洞坡角等于扩散段垂向扩散角时,进/出水口内部流态较好,反向流速区的沿程范围、拦污栅断面流速不均匀系数及水头损失系数均最小。因此,当进/出水口扩散段垂向扩散角不大且各隧洞坡角均满足地形、地质条件的情况下,隧洞坡角等于扩散段垂向扩散角时,可获得较优的水力特性。     

溢洪道闸墩后水翅的水力特性及消减措施研究

为研究如何避免溢洪道泄洪过程中,闸墩后生成的水翅会给泄洪安全带来诸多不利的影响。本文利用量纲分析和物理模型试验方法,对溢洪道闸墩后水翅的水力特性和消减措施开展研究。试验结果表明,影响水翅长度和高度的主要因素有闸墩尾部出口处的弗劳德数Fr_0、溢洪道坡度i、闸墩宽度等;在相同泄流条件下,若泄槽坡度变小,水翅长度也随之减小,而水翅高度却相应增加;当弗劳德数Fr_0介于2.3与2.8之间时,闸墩后的水翅长度和高度均显著增大。试验还发现水翅的长度、高度与闸墩后泄流下跌角度α有关,当α增大时,水翅长度和高度也随之增大;当α较小时,水翅现象明显减弱或消失。研究结果为实际工程消除水翅现象提供了新思路,提出的复合式斜尾墩比传统四棱台型尾墩能更好地避免水翅发生,对改善溢洪道、泄洪洞闸墩后的水流流态具有参考价值。     

导流墙对弯道横断面水面差影响实验

为研究导流墙对溢洪道泄槽弯道段水流改善的效果,进行了不同水力条件下溢洪道泄槽弯道设置导流墙水工模型实验。结果表明:设置导流墙后,弯道横断面凹凸岸水面差比无导流墙条件下有明显的下降,但水面差仍然存在;弯道横断面凹凸岸水面差的变化规律与无导流墙时相同,即随流量的增大而增大、随底坡的增大而增大、随弯道轴线半径的增大而减小;导流墙的设置,使弯道横断面凹凸岸最大水面差发生的位置产生变化,有导流墙情况下,大多发生在弯道中间上下游相邻断面,无导流墙情况下,大多发生在弯道中间之前的上游断面。     

跌坎型底流消能工跌坎深度在工程优化设计中的应用

以某工程导流泄洪隧洞底流消能工为试验研究对象,原方案试验中,在闸门半开工况下,下泄水流出现脱离泄槽底板现象,不利于下泄水流的消能,经研究,改变压坡段底板坡度,同时将泄槽的两个坡段改成一个坡段;原方案底流消能工消力池内均发生远驱式水跃,消能效果差,通过研究采用以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度计算公式,确定消力池底板高程。经两次优化试验后,消除了闸后水流脱离泄槽底板的现象,下泄水流流态稳定,消力池内形成稳定的淹没水跃消能,出池水流与下游水流衔接较好,消力池内临底流速和时均动水压强均明显降低,消能效果好。     

植被排列方式及坡度对坡面流Fr影响的试验研究

为探究植被的排列方式及坡度大小对坡面流弗劳德数Fr的影响,以期揭示坡面流弗劳德数Fr的内在规律。利用人工模拟试验,系统研究了6个坡度、3种植物排列方向与水流方向呈不同走向角的条件下Fr与单位底面积的空间摩阻表面积K值的特征关系。表明在非淹没状态下,Fr与K值的关系为随K值的增大Fr呈现先减小后趋于平稳的趋势;Fr的取值随坡度的增大而增大;在一定的坡度范围内,同一坡度下,当Fr1时,同一K值下,走向角越大对应的Fr值越小,当Fr1时则相反;同一走向角下,在同一K值下,坡度越大对应的Fr就越大。得出在坡度一定的条件下,坡面植被的排列方式不同,弗劳德数Fr的取值也不相同;坡度是影响Fr取值范围的重要因素之一。     

Cavity filling water control below aerator devices

With the rapid development of high dam projects within China, the dragon-drop-tail spillway tunnel is introduced and widely used. In view of the high water head and the large flow velocity on the dragon-drop-tail section, aerator devices are usually placed for the cavitation damage control. For the device placed in its initial position, it is a serious concern to design a suitable flow regime of the cavity and to control the cavity filling water due to the large flow depth and the low Froude number through this aerator. In this study, the relationships between the geometries of the aerator device and the jet impact angle of the lower trajectory of the flow are theoretically analyzed with/without a local slope. Nine test cases with different geometries are designed, the effectiveness of the filling water control is experimentally investigated under different operation conditions, and two criteria of the local slope design are proposed. It is concluded that the cavity flow regime and the filling water can be improved if a small impact angle and some suitable geometries of the local slope are designed.     

收缩墩与跌坎消力池水力特性的试验研究

为探究解决跌坎型消力池在大单宽、低弗劳德数条件下引起的振荡型水跃问题,进行了跌坎型消力池和收缩墩与跌坎型消力池两类消能工试验,对比分析了试验的流态、流速和压强分布规律。试验结果表明,加设收缩墩后,入池射流破坏了表面水流与水垫层剪切形成的大幅度振荡波动,有效地解决了振荡型水跃问题,降低了水流对底板的冲击压力。     

直线边墙窄缝挑坎的水力计算

应用辐射水流特性计算窄缝挑坎中线水面线,提出一级直线窄缝挑坎水力计算方法,可以比较简单地计算水面线和水舌挑距。水力模型试验验证结果表明,计算结果与试验值基本吻合;同样来流宽深比情况下,水面线与来流弗劳德数基本无关。