预留冲刷坑对挑流消能效果的影响

传统溢流堰在下游一般不预挖冲刷坑。为探究预留冲刷坑对挑流水舌在下游水垫塘中消杀能量的效果,运用RNG k-ε双方程紊流模型和VOF法,以龙兴桥水库未预留下游冲刷坑的连续式挑流鼻坎为例,对比有无预留半圆形冲刷坑及下游有无水4种工况下的消能效果。数值模拟结果表明,下游无水时,预留冲刷坑内的水舌与空气的接触面积更大,并且坑内流速稍大于未预留时的流速;下游有水时,预挖冲刷坑内的水气掺混更剧烈,相对未预留时湍动能耗散更加快速,有利于消能。     

巨亭水电站下游局部冲刷三维数值模拟

基于Fluent动网格技术,以床面水流剪切应力作为泥沙起动运输的水动力学条件,基于弹簧光顺模型及局部网格重构模型,实现了闸坝下游局部冲刷坑的三维演化模拟。结果表明:模拟计算的冲刷坑深度和形态与物理模型实测值吻合良好。在冲刷坑的冲刷过程中,床面剪切应力随之减小。在冲刷初始阶段,电站下游床面湍动能和湍动能耗散率均较大;随着冲刷的进行,冲刷区域湍动能和湍动能耗散率随之减小;而未发生冲刷区域的湍动能和湍动能耗散率仍然较大,进而使床面冲刷范围扩大;在冲刷坑达到冲淤平衡时,冲刷坑中湍动能和湍动能耗散率明显减小。     

溢洪道差动式挑流鼻坎挑距和冲深特性探讨

溢洪道差动式挑流鼻坎可明显增加挑射水流在空中的碰撞、紊动和掺气,大大减轻下游河床的冲刷.根据部分溢洪道工程的水工模型试验资料,对差动式挑流鼻坎挑射水舌挑距及其下游河床冲刷坑深度的估算方法进行分析和探讨,可供类似工程设计和运行参考.     

扭曲型挑坎挑流的数值模拟

采用RNGK-ε湍流模型与VOF多相模型对扭曲型挑坎挑流进行水气两相流三维数值模拟,模拟了挑坎里的自由水面与挑流的空中轨迹线,得到计算域的速度、压强、湍动能K与湍动能耗散率ε的分布、内外挑距与水舌宽度,并与物理模型的试验结果进行比较,两者吻合良好,验证了该数值模拟方法的可靠性、合理性。     

泄水建筑物下游冲刷坑二维数值模拟

对巨亭水电站泄水建筑物下游局部冲刷过程进行了二维数值模拟。采用RNG k-ε湍流模型封闭N-S方程、有限体积法在计算网格上离散求解、VOF方法追踪自由水面;采用C语言编写用户自定义函数,以泥沙起动切应力作为床面泥沙起动判别标准,通过分析比较水流剪切力与泥沙起动切应力大小,用以控制冲刷坑底部边界变化;采用局部重构模型和弹簧光顺模型更新计算区域和网格质量,藉以模拟和追踪局部冲刷坑边界变化。研究表明,模拟结果与实测资料符合良好。在冲刷坑的冲刷过程中,床面剪切应力随着冲刷的进程急剧减小,湍动能随着冲刷的进程减小缓慢;床面剪切应力和湍动能沿程变化均较为剧烈,床面剪切应力沿程先增大后减小,床面湍动能则沿程减小。冲刷坑的纵向平衡形态或床面泥沙起动主要决定于床面剪切应力,床面湍动能对泥沙起动也具有重要影响。     

高陡槽溢洪道挑流鼻坎体形研究

结合紫坪铺水利枢纽工程的溢洪道挑坎特性,采用模型试验的研究方法,根据挑流鼻坎体型设计理论和它灵活性特点,应用CFX软件对挑流鼻坎体型进行了改进优化,以使挑流水舌分布更均匀、挑距更大和冲刷更小,并通过对水舌和冲坑特性的观测来验证改进结果。     

岸边并联泄洪洞下游河道冲坑预测

挑流水舌对下游河道的冲刷关系到工程安全。根据动量方程推导了射流在下游水垫中的扩散规律,分析了下游水垫流速对射流扩散的影响,提出了动水垫下射流的临底流速计算方法。研究结果表明:动水流速增加了射流在水中的扩散距离,促进了射流扩散及射流流速衰减,降低了射流临底流速。将研究结果应用于白鹤滩岸边泄洪洞下游河道的冲坑深度预测。模型试验结果表明:在鼻坎水流参数相同的情况下,河道中水流为动水时的冲坑深度较静水时冲坑深度减小约10%,且位于河道下游侧的挑流水舌形成的冲坑深度小于上游侧挑流水舌形成的冲坑深度。与常规预测公式相比,该方法能准确预测不同位置挑流水舌的冲坑深度,研究结果可为泄洪设施下游河道消能防冲设计提供依据。     

射流掺气对冲刷的影响

通过对射流掺气与不掺气时基岩冲刷的对比试验，研究了掺气对射流冲刷的影响。试验结果表明：掺气总是使冲坑减小，冲坑深度随掺气浓度的增加而递减的规律可表示为幂函数关系。当入射流速和水舌厚度相同时，随着下游水垫深度的增加，掺气对射流冲刷能力的减弱程度也增加；当水舌厚度和水垫深度相同时，对不同的入射流速，在本次试验范围内，掺气对射流冲刷能力的减弱程度是相同的。掺气对冲坑形态并没有实质性的影响，冲坑的宽深比随冲坑深度的减小而增大，无论造成冲坑深度减小的原因是掺气、降低流速还是减少入射水舌厚度，其变化规律都可用相同的直线关系表示。     

鼻坎型式对挑流局部冲刷影响的数值模拟

挑流消能为高水头水利枢纽主要泄洪方式,耗散能量的同时会对下游产生剧烈冲刷。为分析冲刷坑形成原因,探究鼻坎型式对于冲刷的影响,针对某一具体工程,采用自编程序以临界起动切应力作为泥沙起动条件进行数值模拟,结果表明：差动式鼻坎挑流水舌集中,单宽流量大,冲刷深度深,河床冲刷严重;舌型鼻坎挑流水舌横向扩散较大,单宽流量小,冲刷深度较浅。将计算结果与物理模型试验结果对照,两者基本吻合。证明通过用户自定义编程方法进行数值模拟能够较为准确的预测冲刷坑范围与深度,合理的鼻坎型式对于削弱下游冲刷效果显著。     

纵向错落差动式挑坎水力特性的研究

为探究一种新型纵向错落差动式挑坎的水力特性,对此种挑流鼻坎的体形参数进行设计,其中反弧半径为10 m的低坎和5 m的高坎的起挑点均紧接在坡比为1∶1的溢洪道后,保持两种挑坎的高度相同均为0. 94 m,则可确定高挑坎挑脚为35°,低挑坎挑脚为25°,并且使得低坎的纵向长度小于高坎的纵向长度,即流经高坎的水舌在纵向上比低坎水舌优先起挑。通过Fluent中对划分网格的三维模型进行数值模拟,计算结果表明,此种新型挑坎有效加大挑距超过60%,扩大下游落水面积,有利于增加冲刷坑面积从而减轻对下游河道的局部冲刷。在明显减小鼻坎处压强的同时,没有产生易发生空蚀空化的负压区,有利于对挑流鼻坎处的保护。     

阿尔塔什水利枢纽水垫塘消能方式选择

以新疆阿尔塔什水利枢纽泄洪建筑物为研究对象,通过1∶50水工模型试验比选消能方式,对比研究了采用平底板水垫塘方案下的塘内水动力特性和采用护坡不护底方案下的水垫塘冲刷形态。通过脉动压力与上举力的分布,推测了水垫塘的可能破坏范围;通过流态分析和冲刷分析,对挑坎体型进行了优化。不同型式挑坎对水垫塘的冲刷影响的比较分析表明,优化后的挑坎能够起到调整水舌和冲坑形态、减少坡脚冲刷的作用,经优化后该工程水垫塘采用护坡不护底的方案是可行的,并可供类似工程参考。     

燕尾型挑坎在李家岩水库溢洪道中的应用

针对李家岩水库下游消能防冲问题,通过1∶30水工模型试验对比了传统连续坎和新型燕尾型挑坎下游挑射水舌特性及河道冲刷形态。试验结果表明:燕尾型挑坎对上游来流的适应性好,起挑流量要求更小。燕尾坎体型下挑射水舌底缘偏离底板程度随单宽泄量的增加而增大,造成近端挑距越小。燕尾型挑坎相比连续坎水舌的横向扩散明显减弱,且沿水流方向充分拉伸,整个水舌落点范围呈狭长型,从而避免了对狭窄型水垫塘或河道两侧岸坡的冲刷,燕尾型挑坎更加适用于狭窄型河谷。燕尾坎体型下挑射水舌的落水范围总体相比连续坎得到伸展,有效减小了入水单宽流量,下游河道的水体波动及冲刷均有所减弱。在试验和类似工程的基础上总结得出了燕尾型挑坎的体型设计原则,相关研究成果可供其他工程参考。     

高水头泄洪隧洞消能防冲试验研究

对高水头水电站泄洪洞出口挑坎水力特性和下游河道冲刷特性进行了试验研究,对比分析不同挑坎形式对冲坑位置、范围及深度的影响,指出:对称斜切挑坎水舌纵向扩散充分,落水区呈窄长条状,可以充分利用下游河道的纵向空间,特别适合应用于狭窄河谷中的高拱坝工程泄洪。     

岩基挑流冲刷原型观测与模型试验比较分析

通过将若干已建成工程鼻坎挑流岩基冲刷的原型观测资料与模型试验成果作对比分析,探讨了冲刷深度、水舌抛距、冲坑形状及堆丘等方面原、模型之间的相似程度及缩尺效应。提出了关于岩基冲刷的试验方法及计算冲刷深度的经验公式。     

乌溪水库安全泄流水工模型试验研究

汛期安全泄流对保护水库大坝及下游建筑物安全至关重要。乌溪水库坝后河床狭窄,存在以下水库安全泄流问题:泄流时挑流水舌是否砸击到两岸影响其稳定性;冲刷坑水垫厚度可否满足抗冲消能要求,是否需要设置二道坝;泄流涌浪、冲刷是否影响下游岸坡稳定性。该文针对乌溪水库存在的这些安全泄流问题,通过相关水工模型试验研究,改进溢洪道边墩形状,以最大限度缩小挑流水舌冲刷岸坡范围;确认冲坑不会危及河床坝段的坝基稳定;冲坑下游一定范围内两岸岸坡薄弱部位需采取适当保护措施。这些试验结果为乌溪水库施工图设计和安全泄流提供了科学依据,可供类似工程参考。     

大圆弧导向鼻坎在昌马水库溢洪道改建中的应用

在昌马水库多年的泄洪运行中发现,其溢洪道泄洪出口水舌落点集中,在岸边形成较深的冲刷坑,直接威胁到岸坡的稳定安全。为了解决该问题,通过溢洪道挑流鼻坎改建方案的水工模型试验研究,调整挑流鼻坎体形,提出了适用范围较广的大圆弧导向鼻坎改建方案。经过模型试验验证,大圆弧导向鼻坎不仅具有很好的导向功能,有效控制水舌落水位置、分布及范围,而且能使水舌沿横向、纵向拉开,使水舌覆盖消能区较大范围,减轻河床冲刷,有效解决昌马水库溢洪道存在的问题。     

岩基挑流冲刷原型观测与模型试验比较分析

通过将若干已建工程鼻坎挑流岩基冲刷的原型观测资料与模型试验成果作对比分析，探讨了冲刷深度、水舌抛距、冲坑形状及堆丘等方面原、模型之间的相似程度及缩尺效应。提出了关于岩基冲刷的试验方法及计算冲刷深度的经验公式。     

窄缝式消能工的水力特性及其体型研究

研究窄缝坎挑流的水流特性、消能要求及其体型参数的选择 .窄缝使水舌出流挑角增大 ,水舌纵向拉开 ,形成水流变形耗能 ,且加剧了水流紊动、水舌破碎而掺气的耗能 ,使消能效果增加 ,冲刷减少 .提供了不同收缩比与水舌出流挑角变化关系的试验成果及水舌纵向拉开值的估算公式 .     

溢洪道差动式挑坎水力特性分析和计算探讨

溢洪道差动式挑流鼻坎可增大其挑射水舌的扩散、碰撞、掺气和消能率,从而减轻下游河床的冲刷。目前对差动式挑坎水力特性研究成果仍较少,给工程设计带来极为不便。在现有的文献和成果总结和分析的基础上,开展了差动式挑坎下游河床冲刷特性的试验研究,对差动式挑坎段的水面线、挑射水舌挑距及其下游河床冲刷特性和计算方法进行探讨,并进一步补充了差动式挑坎下游冲刷影响系数与其体型和泄流水力参数的关系。研究成果与水力模型试验结果较吻合,可供类似工程设计和运行参考。     

白山水电站深孔水力学试验与原型泄流观测

本文对白山水电站深孔的水力学试验(模型比尺1∶50及1∶100)与原型泄流观测成果进行了对比分析。结果认为,在泄流能力和水流流态方面,模型与原型之间有较好的相似性;按常用公式T=Kq~(0.5)Z~(0.25)估算挑流冲刷坑水深T时,对于具有扩散特性的三元水流,必须以挑流水舌入水单宽流量代入式中的q(Z为上下游水位差),则按原型实测冲深算得的冲刷系数K值才符合冲坑部位岩基实际情况,再以此验算模型试验所得冲深才基本一致;在影响挑流水舌雾化范围与降雨强度的诸因素中,泄流量是最主要的影响因素。