泄水建筑物内消能工的研究与应用

在国家自然科学基金-雅砻联合基金的资助下,对内消能工的研究与应用进行了综述,并结合公伯峡水电站右岸导流洞改建为水平旋流泄洪洞的实践和论证阶段的雅砻江两河口水电站导流洞的改建,提出旋流阻塞复合式内消能工的概念.     

泄水建筑物内消能工的研究与应用

在国家自然科学基金-雅砻联合基金的资助下,对内消能工的研究与应用进行了综述,并结合公伯峡水电站右岸导流洞改建为水平旋流泄洪洞的实践和论证阶段的雅砻江两河口水电站导流洞的改建,提出旋流阻塞复合式内消能工的概念。     

旋流式内消能工研究综述

对国内外的旋流式内消能工研究作了简要介绍并进行了评述。认为旋流式内消能工是解决高坝水力设计中高水头、大流量条件下泄水建筑物的安全和充分消能问题的新思维、新途径。旋流式内消能工是利用水流在泄水道中作大范围的旋转运动把下泄水流能量在泄水道内部进行大量消煞，使出流流速大大降低，从而保证建筑物的安全和下游良好的衔接条件。它具有结构简单、布置灵活、消能率高等优点，应用该种新型内消能工可将高水头水利枢纽工程中施工导流洞改建为永久泄洪洞。     

浅谈国内旋流式内消能泄洪洞工程方案的研究

论述了竖井旋流型与水平旋流型内消能工在体型优化中的重点与方向,结合黄河公伯峡水电站右岸旋流内消能泄洪洞的方案的论证、试验研究与体型优化,进行了连接部位泄流能力的协调与匹配、通气孔的设计、消能率的构成、起旋器出口与旋流洞连接部位后的空化空蚀、洞子的衬砌标准与范围、下游水深的影响等问题的讨论。     

竖井进流水平旋流式内消能工的水力特性

随着国内外高水头水利枢纽工程的日益兴建，寻求新的消能途径解决高水头大流量条件下泄水建筑物的安全和消能问题是高坝水力设计中亟待解决的难题之一。本文对竖井进流水平旋流式内消能工进行了试验研究，给出了过流能力、消能率、时均压力等水力参数的研究成果。     

河口村水库导流洞水工模型试验及分析

为验证河口村水库导流洞布置方案的合理性和优化的可能性,根据重力相似准则,采用比尺1∶40的单体正态模型系统研究了导流洞泄流能力、水流流态及明满流界限、压力分布、进出口体型、消能防冲等,尝试采用不同进口形式来消除进口漩涡,并提出有利于消能防冲的出口形式。对比试验结果表明,在进水口前布置V型消涡梁可很好地消除进口漩涡,同时在导流洞出口布设钢筋笼防护,可有效抑制冲坑的进一步发展。     

白龙江苗家坝水电站泄洪消能设计

苗家坝水电站为二等大(2)型工程,拦河坝为混凝土面板堆石坝.工程身处深山峡谷,施工导流流量较大.在参考国内类似电站泄洪消能设计经验后,结合其水文泥沙、地形地质条件、施工导流、运行要求以及枢纽布置特点,泄洪建筑物最终采用由导流洞改建的"龙抬头"表孔溢洪洞 泄洪排沙洞组成,水工模型试验结果表明该方案是合理可行的.     

白龙江苗家坝水电站泄洪消能设计

苗家坝水电站为二等大（2）型工程，拦河坝为混凝土面板堆石坝。工程身处深山峡谷，施工导流流量较大。在参考国内类似电站泄洪消能设计经验后，结合其水文泥沙、地形地质条件、施工导流、运行要求以及枢纽布置特点，泄洪建筑物最终采用由导流洞改建的“龙抬头”表孔溢洪洞＋泄洪排沙洞组成，水工模型试验结果表明该方案是合理可行的。     

梯形消能墩—台阶组合式消能工水力特性研究

为降低台阶负压，减少空化空蚀的影响，提高台阶消能效果，在传统台阶凸角位置增设梯形消能墩组成梯形消能墩—台阶组合式消能工，采用水工模型试验与数值模拟相结合的方法，研究梯形消能墩—台阶组合式消能工的水力特性。结果表明，梯形消能墩—台阶组合式消能工台阶水平面与竖直面在靠近凸角附近存在负压，有发生空化空蚀破坏的可能；但台阶水平面与竖直面负压区掺气浓度基本大于5%,可有效降低空化空蚀危害；在本研究范围内，梯形消能墩—台阶组合式消能工消能率可达70%以上，消能率随流量的增大而降低。该组合式消能工有利于减小台阶空化空蚀危害和提高台阶消能效果，可为台阶消能工设计和现有台阶溢洪道除险加固提供参考依据。     

四川省鸭嘴河布西水电站溢洪道形式比选

在坝型比选阶段,对鸭嘴河布西水电站溢洪洞形式进行了比选优化。认为以具有消能井的竖井同导流洞相结合代替原可研阶段设计的侧堰加“龙抬头”与导流洞相结合具有许多优点:消能率高,将大部分能量直接在竖井内及其流道中消除,且布置灵活、泄量大、设施简单、运行安全可靠、节约投资等。     

溢洪道交错式阶梯消能工的消能特性研究

为分析不同坡比下交错式阶梯消能工的水力特性，采用数值模拟与模型试验相结合的方法，对比研究了不同流量下1∶2.0、1∶2.5两种坡比交错式阶梯和矩形台阶消能工的流态、流场、压力场及消能特性等。结果表明，交错式阶梯消能工坡比增加，台阶凹槽处形成的三维漩涡尺度增加，水流旋滚剧烈，水深较大；台阶竖直面压强的绝对值较大，负压区范围增加。两种坡比下台阶水平面压强分布相似，均表现为越靠近台阶外沿压强越小。坡比为1∶2.0的阶梯消能工消能率更大，同一坡比消能工的消能率与流量呈非线性关系，流量越大消能率变化越缓慢。交错式阶梯消能工较矩形台阶溢洪道掺气更加充分，消能率更高。研究结果可为交错式阶梯消能工的结构优化提供理论依据。     

山区弯道水流特性及消能选型

山区弯道水流特性复杂,消能工布置困难,为确定其适宜的消能工型式,分析了山区河流水流特性及工程中常用消能型式,并结合水工模型试验研究了不同消能工布置下弯道水流流态及消力池出口流速分布,提出在弯道出口处设置消力池加辅助消能工(消力墩+异形坝)的工程措施。结果表明,在消力池内设置消力墩和异形坝后,水流流态得到很好的改善,出池水流流速分布均匀,消能效果更好。     

等壳水电站泄洪建筑物优化设计

新型消能工较好的利用了水力学基本原理．取得了很好的消能效果。宽尾墩＋阶梯溢流坝＋消力池消能即是现阶段表孔溢洪道消能常采用的形式之一。研究了在河道地形受限条件下。底孔不同挑坎形式对消能效果、水力衔接及工程下游河道冲刷情况的影响。     

面积收缩比相同条件下不同体型齿墩式内消能工对管道内部水力特性的影响

为研究同一面积收缩比情况下不同体型齿墩式消能工对管道内部水力特性的影响,采用物理模型试验与理论分析相结合的方法,分析了5种方案消能工的消能率、过流能力、时均压强和脉动压强的变化特征。结果表明,面积收缩比相同时,方案3消能率最小,齿墩高度比不等于0.5时消能率随齿墩高度增加而增大,流量系数的变化规律则相反;时均压强系数在消能工进口处骤降,并在距离消能工进口4 D处逐渐恢复至稳定,但比消能工进口处低2.5～2.8,表明齿墩高度比对时均压强系数影响较小;脉动压强系数沿程基本呈双峰分布,双峰分别位于消能工进口和出口附近,第二个峰值最大值及最小值分别是方案2、3。综合分析后知方案2最佳,为推荐方案。     

齿墩形内消能工脉动压力特性研究

针对高速水流脉动压强负值会增大泄流边界发生空蚀破坏的问题,提出一种新型齿墩状内消能工,采用物理模型试验分析了3种齿墩形内消能工的消能特性、脉动压力特性和空化特性。结果表明,采用齿墩设施可增进消能作用并达到消能效果。通过对3种不同面积收缩比的齿墩形内消能工脉动压强研究,得到了脉动压强的分布规律,收缩面积比为0.451时的齿墩形内消能工脉动强度较小,抗空化性能更强,其脉动压强最大点的压强概率密度分布接近正态分布。     

一种新型燕尾坎消能工的流态和消能分析

为了提高孔洞类泄水建筑物的出口消能率,同时避免出口水流堵塞和空蚀破坏,提出了一种带跌坎和反坡的燕尾坎消能工。物理模型试验表明,燕尾坎中间槽的作用使出流分成两股,水流纵向拉伸,减小了落点水舌的平均流速,并使水舌掺气增加,消能率提高;设置跌坎和反坡,通过跌坎掺气和反坡对中间股水流的引导作用,避免消能工的空化和出口流动的水流阻塞,并在中间反坡的引导下,中间水舌按预设方向入水。与传统连续坎消能工相比,该消能工消能率提高15%左右。在分析消能率影响因素的基础上,给出了所提消能工消能率的经验表达式,为孔洞类泄水建筑物的出口消能设计及施工提供了参考依据。     

表孔泄洪闸消力池辅助消能工试验研究

通过模型试验,对比研究了在表孔泄洪闸上应用掺气分流墩和在消力池中采用常规消能工的消能效果。对比研究结果表明,分流墩具有一定的消能效果,但对水流条件有特定的要求,有一定的局限性。在调节运行工况变幅较大时,可以采用常规消能工消能。     

某滞洪区分洪闸消能设施研究

为适应流域发展要求,解决某滞洪区分洪闸的消能防冲、安全隐患等诸多问题,提高泄流能力,拟改建该分洪闸工程,即在护坦末端设置消力坎实现水跃消能或挖深式一级消能方式。试验论证表明,挖深式一级消能方式较优。为充分消能,可在闸后边孔处设辅助消能设施。     

不同高度的齿墩式消能工的数值计算

齿墩式消能工是一种突扩突缩式的内流式消能工,利用Gambit建立齿墩式消能工模型并对其网格划分;再利用Fluent内的RNGκ-ε涡流模型计算管道内水体运动;借助Tecplot软件数据后处理,并利用物理模型试验进行对比分析。结果表明,齿墩正后方会出现涡,在试验流量范围内涡的长度在0.98 D~1.18 D之间,并随流量的增大而增大;流经齿墩段的最大水流流速是断面平均流速的2.3倍;同一布置形式的齿墩式内消能工的紊动能与其耗散率整体分布规律不随流量的改变而改变,可进一步了解齿墩式消能工的消能情况。     

旋流竖井泄洪洞水力学特性及泥沙输移特性研究

基于RNGκ-ε双方程紊流模型并结合VOF两相流模型，通过模型试验和数值模拟分析了双涡室旋流竖井流态、流速、压力、消能、空化和泥沙输移特性。结果表明，模拟结果与试验值吻合程度较好，涡室段通过掺气坎补气，掺气更加充分，降低了发生空蚀破坏可能性；实测消能率达到75%以上，消能效果较好；不同粒径泥沙在不同流量下在竖井底部存在泥沙淤积，使得消力井深度减小，小流量运行时淤沙最高可达到消力井深度的72%,但经过一次大洪水后泥沙被清空，淤沙高度降低为井深的1.6%,使旋流竖井保持有足够的消能水垫，不会影响其正常运行。在实际工程中，控制拦污栅大小，避免大颗粒泥沙进入泄洪洞导致拥堵，实践中可通过改变运行方式来控制消力井淤沙高度，使其有足够富裕的水垫深度来满足旋流竖井设计和正常运行要求。