弧形闸门前漩涡影响因素研究

为研究弧形闸门局部开启时引起闸门前发生的吸气漩涡影响因素,取某泄洪闸的其中一孔为研究对象,采用比尺为1∶20的水工模型进行了相关试验研究和理论分析。研究结果表明,闸前吸气漩涡的产生与闸前水深、闸门开度、来流环量以及表面张力和黏性力有关。通过试验观测和理论分析得到,闸前漩涡存在上、下两个临界淹没水深。当闸前水深在临界淹没水深上下限之间时有吸气漩涡发生。弧形闸门局部开启时,开度越大,闸门进水口的宽高比越小,吸气漩涡越强;来流的边界条件引进的环量作用越明显,漩涡越强;当雷诺数Re≥4.4×10~4,韦伯数We≥(104~208)时,可以忽略黏性力和表面张力对试验的影响。最后,通过理论分析建立了只考虑闸门进水口的宽高比和环量数的临界淹没水深公式。     

水平进水口前临界淹没水深试验研究

旋涡是水工建筑物进水口前常见的水力现象,会给水工建筑物和水电设备带来严重的危害。消除旋涡最广泛采用的方法是保证进水口前的水深超过临界淹没水深。从实际工程应用计算考虑,利用水力模型试验,重点分析了弗劳德数Fr、雷诺数Re对临界淹没水深的影响,并由试验结果得到旋涡相对临界淹没水深H/D随弗劳德数Fr和雷诺数Re的变化规律。结果表明:临界淹没水深随着弗劳德数和雷诺数的增大而增大,并且与两者均有幂函数关系。综合弗劳德数Fr和雷诺数Re对H/D的影响规律,得到了相对临界淹没水深与弗劳德数Fr和雷诺数Re的定量关系式,关系式拟合度为0.863,可以满足工程实际计算要求。     

弧形闸门前漩涡特性研究

吸气漩涡是水利工程中进水口前常见的水力学问题,模型试验是研究进水口前漩涡特性的常用方法。目前关于漩涡特性的研究主要集中在淹没水深较大、进水口结构不变的泄洪洞以及电站进水口等,而对于弧形闸门局部开启时闸前漩涡特性的研究较少。为了研究弧形闸门前漩涡的水力特性以及黏性力和表面张力对弧形闸门前漩涡的影响,以某泄洪闸弧形闸门为研究对象,采用2个不同比尺的模型试验及理论分析方法,对弧形闸门局部开启时闸前吸气漩涡的水力特性进行了研究。结果表明,闸前漩涡是行进水流横向和纵向突然收缩共同作用的结果。弧形闸门前水面紊动较大,所以闸前漩涡频率较高,持续时间较短,闸门开度越大,闸前吸气漩涡越强。若按照弗劳德数准则设计模型试验,当来流雷诺数和韦伯数大于某一临界值时,可以忽略黏性力和表面张力影响。     

边表孔闸前吸气旋涡试验研究

针对多泄洪表孔的边表孔闸前极易产生强烈的吸气旋涡的问题,试验观察了边表孔闸前水流流态,分析了旋涡成因,并详细研究了工作水头、闸门开度、绕流距离及相邻表孔运行方式对吸气旋涡的影响以及吸气旋涡对表孔侧墙压力的影响。结果表明:该吸气旋涡主要是由边墩绕流效应引起,是发生在边表孔的特殊水流现象;旋涡涡心直径随工作水头和绕流距离的增大而增大,随闸门开度的增大而减小;相邻表孔全开与局部开启相比,边表孔闸前漩涡更大;吸气旋涡导致表孔下游侧墙出现负压,可能造成侧墙空蚀破坏,在实际工程中应注意对此类旋涡进行控制。     

进水口漩涡特性及临界淹没水深的研究进展

压力进水口前的漩涡是常见的水力现象,研究漩涡的水力特性,是认识和消除进水口漩涡的基础.研究进水口前漩涡的主要方法有室内缩尺物理模型试验、理论研究及数值模拟等.主要对进水口漩涡水力特性和临界淹没水深的研究成果进行了分析总结;根据漩涡是否吸气对其进行分类,分析各种漩涡可能产生的危害,并总结了漩涡产生的影响因素、缩尺效应和进水口的临界淹没水深公式.最后指出,应加强电站进水口漩涡的原型观测统计,以及双层或多进水口临界淹没水深的研究.     

波浪对蘑菇头式取水口吸气漩涡流态影响的试验研究

滨海蘑菇头式取水口进口流态受波浪影响明显,但波浪作用下的取水口吸气漩涡规律尚缺乏系统研究,如何防止进水口前产生有害吸气漩涡是进水口设计中急需解决的问题。以某滨海电厂取水口为例,采用物理模型试验方法,研究了波浪作用下的取水蘑菇头进水流态和吸气漩涡特征,分析了波浪影响下取水口防进气所需的最小淹没深度。试验结果表明,波浪会抑制取水口周缘形成稳定的吸气漩涡。取水蘑菇头在淹没深度不足时会随着波浪周期产生间歇式吸气,但进气量要比持续波谷水位时小。在预防有害吸气漩涡方面,波浪的存在可降低临界淹没深度值,设计实践中可对淹没深度规范公式(Gordon公式)加以修正使用,而修正系数的取值应根据波浪要素和取水口结构形式确定。研究结果可为类似工程设计提供参考。     

泄水闸门收缩系数对判别条件的影响

泄水闸门广泛应用于明渠水流控制。通过闸门的水流依尾水深不同可能是明流也可能是淹没水流。通过测定允许明流通过的最大尾水位可以确定水流是明流还是淹没水流，这就是所谓的判别条件。以明流和水跃的基本公式为基础，推导出了一个以收缩系数为参数的判别条件的理论公式。用两种不同类型闸门的试验数据对该公式加以检验，结果表明：收缩系数随闸门类型而变，且对判别条件产生影响。如果上游水深一定，弧形闸门与垂直提升闸门相比，由于收缩系数较大，不易产生淹没水流。本研究结果对泄水闸门的设计和运行都是有益的。     

水电站进水口水工模型试验研究

结合实际工程对水电站深式进水口阻力系数、临界淹没水深和漩涡等进行了水工模型试验，试验成果表明：进水口阻力系数和临界淹没水深与取水口布置条件有关，采用经验公式计算所得临界水深偏于安全，说明采用模型试验来确定水电站取水口的布置方式是一种有效手段。     

闸孔出流条件下闸前冰块堆积形态研究

近年来,黄河凌汛灾害频繁发生,对河道建筑物影响巨大。依托黄河内蒙古段实际资料,结合模型试验与理论分析,基于相似原理,采用与冰密度近似的石蜡块作为模型,制定不同的试验方案对闸孔出流条件下冰的运移、水流挟冰能力进行研究;通过物理模型试验,量测不同工况下闸前水流行近流速v_0、冰块稳定堆积长度L、冰块稳定堆积厚度D、冰块过闸临界流速v_e。通过试验量测和数据分析,针对不同闸门开度,对无冰块通过闸门和有冰块通过闸门两种情况下冰块堆积形态进行分析,研究发现不同情况下冰块稳定堆积长度和厚度都有差异。通过物理模型试验建立了弗劳德数Fr与闸门相对开度e/h之间的关系,并得出不同闸门开度对应的冰块过闸临界流速及相应的弗劳德数。     

田间便携式短喉槽水力特性试验研究

结合临界流原理,提出适用于灌区田间进水口水量计量的新型量水设备——田间便携式短喉槽,以满足量水槽结构简单、水头损失小、量水精度较高、流量计算公式简明的要求。田间便携式短喉槽是一种喉道宽度为76 mm、槽底为平底的短喉道量水槽。在自由出流、淹没出流两种工况下对不同流量下的水力特性进行试验研究,结果表明:该量水槽过流顺畅,量测流量最大可达40 L/s,能够满足灌区末级渠道的量水要求;断面流速分布为中间流速大、两侧流速较小,且自由出流工况下的流速略大于淹没出流工况下的流速;水头损失较长喉槽的小;根据对弗劳德数的分析得到临界水深断面位于喉道后半段;通过回归分析得到田间便携式短喉槽的上游水深—流量计算公式,其最大测流误差为9.16%,满足灌区田间量水精度要求。     

压力进水口的最小淹没水深

水电站、水泵站以及其它压力引水隧洞的进水口都要求有一定的淹没深度，以避免出现挟气漩涡引起有害的工程问题．其计算公式分为三种类型：以进口高度表示的公式、以进口流速水头表示的公式以及以弗汝德数Fr表示的公式；根据三峡电站模型实验的数据比较了各公式的计算值，结果发现，以戈登公式的计算结果最为接近实验值，但在工程实践中证明，大流量、高流速的情况下，戈登公式并不能给出足够的安全淹没深度，其主要原因在于边界的影响．对于重要的工程，应通过实验确定临界淹没水深．     

冰盖前缘冰块稳定性研究进展

冰块在冰盖或冰塞前缘的稳定性是冰塞演变研究的重要基础，是任何预测或预报冰塞演变相关数学模型不可缺少的部分。对国内外经典的冰块下潜研究文献进行了梳理，按照研究方法的不同，冰块下潜临界条件的研究大致可分为以原型观测为主、以理论分析为主和以试验研究为主的三个方面。无论是工程应用还是理论研究，流行的下潜判断是临界弗劳德数形式。经过分析，探讨了现有相关研究的不足之处，得出以下主要结论和今后的研究方向：临界弗劳德数影响因素众多，如水流、气象和冰本身的状况，因此，其值表现出范围变化，具有特定的场所性；迄今为止的冰块下潜研究基本忽略了冰块宽度效应，直接影响了下潜力矩和抗倾覆力矩的正确表达；冰块在下潜时，其底面的压力和分布变化的研究是非常重要的，而现有的研究尚有很多需要改进。     

渠道墩柱断面过冰能力研究

为避免流冰输移在桥墩、闸墩等束窄断面停滞、卡堵、堆积,通过相关物理模型试验,研究了不同水力条件、不同冰块尺寸和冰量下的墩柱断面过冰能力。研究结果表明:冰块过流能力与弗汝德数Fr成正比,弗汝德数Fr小于临界值,冰块易在墩柱断面前卡堵,弗汝德数Fr超过临界值,过冰能力显著提升;对于中、大尺寸冰块(L/D=0.8、1.0),第一翻转临界冰厚弗汝德数Ft分别为0.879、1.090,第二翻转临界冰厚弗汝德数Ft分别为1.267、1.355;墩柱断面过冰能力与来冰量成反比,来冰量越大,墩柱断面越容易出现卡堵。通过量纲分析建立回归方程,得到渠道墩柱断面过冰能力经验公式▽=1.028(e~(2.28Ft))(L/D)~(-3.567)×100%(0≤▽≤100%),复相关系数为0.973。研究成果对研究冰水二相流安全输水、防治冰塞灾害具有参考价值。     

Flow choking characteristics of slit-type energy dissipaters

In this paper, the behavior of the flow choking, including the critical and developing states, was experimentally investigated by means of five slit-type outlets, characterized by the outlet width, the contraction angle and the opening of the working gate. The results showed that the approach flow Froude number of the critical choking decreases if the outlet width increases, or the contraction angle decreases, or the opening increases. There is the hysteresis when the flow choking develops, i.e., the Froude numbers of the appearance and disappearance of the flow choking at the increasing discharge regime are all larger than those at the decreasing discharge regime. For various widths of the outlets, the differences between the critical Froude numbers at small opening are much larger than thoset at large opening. The change range from appearance to disappearance of the flow choking at small opening is smaller than that at large opening.     

二维兴波水翼水动力预报的涡分布法

本文用奇点面分布法预报二维自由面边界下水翼的水动力特性。采用线性化的自由面边界条件。水翼表面划分为若干单元，每个单元上布置线性分布的涡，并在其中点满足Ｎｅｕｍａｎｎ型物面边界条件。与试验结果比较表明，计算结果是合理的，本计算方法能显示二维兴波水翼水动力特性与Ｆｒｏｕｄｅ数，相对浸深和攻角的关系。     

波状水跃和波状涌潮的分析

推导了涌潮中尺度方程，并利用此方程，分析水跃和涌潮的性质，对于水跃和涌潮，色散与耗散两种效应强弱的价值依赖于Ｆｒｏｕｄｅ数的函数，存在着两个临界值，当跃前Ｆｒｏｕｄｅ数大于第一个临界值时，水跃和涌潮从单调形态转化为波动形态，随后，波陡随Ｆｒｏｕｄｅ数增大，当Ｆｒｏｕｄｅ数大于第二个临界值时，自由表面破碎，波状涌潮转化为强涌潮，对于涌潮，绝对流速，即落潮流速，对色散波的周期，波长与振幅也有影响。数值     

Circulation characteristics of horseshoe vortex in scour region around circular piers

This paper presents an experimental investigation of the circulation of the horseshoe vortex system within the equilibrium scour hole at a circular pier, with the data measured by an acoustic Doppler velocimeter (ADV). Velocity vector plots and vorticity contours of the flow field on the upstream plane of symmetry (y = 0 cm) and on the planes ±3 cm away from the plane of symmetry (y = ±3 cm) are presented. The vorticity and circulation of the horseshoe vortices were determined using the forward difference technique and Stokes theorem, respectively. The results show that the magnitudes of circulations are similar on the planes y = 3 cm and y = -3 cm, which are less than those on the plane y = 0 cm. The circulation decreases with the increase of flow shallowness, and increases with the densimetric Froude number. It also increases with the pier Reynolds number at a constant densimetric Froude number, or at a constant flow shallowness. The relative vortex strength (dimensionless circulation) decreases with the increase of the pier Reynolds number. Some empirical equations are proposed based on the results. The predicted circulation values with these equations match the measured data, which indicates that these equations can be used to estimate the circulation in future studies.     

东西关水电站枢纽工程布置中对水力条件的研究

通过试验资料分析,本文首先阐明拦河闸坝轴线折线布置的合理性,着重研究泄洪排沙闸消能工的布置型式,提出了按不同运行方式和节省工程量的要求,采用不同的结构尺寸,对解决本工程大单宽流量和低Fr的消能防冲问题,取得良好的效益;接着论述了电站环流防沙的长期有效性,是解决电站引水防沙的主要途径和方法之一;最后针对船闸引航道中心线和原河道主流线夹角较大的特点,提出了梳齿潜坝的整流设施,改善了航行条件。本文研究成果已为设计部门采纳应用。