宽浅陡槽水流的稳定性及控导措施

对宽浅陡槽水流特性、下游衔接消能及控导措施进行了试验与理论研究,分析表明浅层急流能量损耗比一般明流大,陡槽水流有2种不同特点的动量横向分布规律:一般陡槽(宽深比B/h<40,单宽流量q>3.4m3/s.m)末端水流呈"马鞍型"动量横向分布,水流具有较强的稳定性;而大宽深比(B/h>40,单宽流量q<3.4m3/s.m)陡槽末端水流呈"椭圆型"动量横向分布,这种分布态势缺乏对外界干扰的遏制能力.宽浅陡槽水流不稳定是动量横向分布缺乏强大的两翼控制,使微小干扰形成累加递增的类"多米诺骨牌效应",导致末端水跃的不稳与消能不充分.基于"介入式"原理,利用急流干扰波传播与反射特点,采用潜没式三角翼体调整动量分布、改善下游衔接水流稳定性,取得了良好的效果.对三角翼体的控导机理及主要影响因素进行探讨,提出了三角翼体型参数的优化确定方法,可供实际工程参考.     

陡槽急流冲击波的扰动特性和消减措施

当水流通过泄水建筑物的收缩、扩散和弯道段时,将会产生一系列较强的冲击波.冲击波的产生使得水流的动量横向分布很不均匀,恶化了水流流态,给工程带来不利影响.在分析了陡槽急流冲击波的扰动特性的基础上,提出了几种消减弯道急流冲击波、直槽收缩连接段急流冲击波以及宽浅陡槽急流冲击波的方法.这些措施在实际工程中得到应用已获得了良好的效果.     

宽浅式溢洪道急流控制及下游冲刷试验研究

为使水利工程中常用的泄水建筑物岸边溢洪道安全运行，指出了某工程泄洪流量悬殊、宽浅比1：7的溢洪道出现的急流冲击波现象，经分析研究后提出中墩尾部增加低导墙形成潜堰方案，解决了泄槽内急流冲击波问题。针对泄洪流量悬殊的宽浅式溢洪道轴线与下游河道夹角偏大，鼻坎水流偏转困难等技术难题，提出两边扩散大斜切扭曲鼻坎形式，并对挑流冲刷问题进行了试验研究。试验结果表明，优化体型具有减轻急流冲击，改善挑流入水条件，减轻下游冲刷等优点，试验研究成果可供类似工程参考。     

锡崖沟瀑布景观工程水力模型试验研究

根据锡崖沟景区规划设计,沿锡崖沟水库溢洪道下部开凿底洞引水,在水库下游红岩大峡谷常年形成20 m宽大瀑布.以满足瀑布流的重力和紊动阻力相似的原则进行了其正态模型设计.通过模型放水试验表明：流量变化对瀑布水流流态影响很大,溢流槽空间狭小,加之上游进口扇形扩散段扩散角偏大,水流扩散不充分,堰顶溢流不均匀,瀑布景观效果差.将模型的溢流堰顶修改为T型复式断面后,顺应了水流的流动特性,在各级流量下均能获得比较好的瀑布景观效果.     

顺直型展宽航槽沿程水沙运动规律试验研究

由于山区地势原因,山区卵石航槽几何形态时常由窄深突然转变为宽浅,引起水沙运动特性的改变。本文开展了概化模型试验,研究了单一航槽(窄深段)到复式展宽航槽(宽浅段)水沙运动沿程变化规律并开展了机理分析。在不同上游来流条件下,测量了主航槽中心线沿程水位以及滩槽流速,用于探究水流特性的沿程变化规律。同时,开展了床面切应力测量和推移质试验用于判断推移质在粗化层不发生破坏的山区河道中的运动状态。试验结果表明,航槽几何形态变化明显影响水沙运动,水深在窄深航槽段与宽浅航槽段交界处附近变化最为明显;上游窄深航槽段与下游宽浅航槽段稳定水深的差值随着来流量的增大而增大;主航槽断面平均流速从窄深段逐渐增加,在窄深和宽浅断面交界处附近达到最大值(约为上游窄深段断面平均流速的1.5倍),而后逐渐降低直至稳定(约为上游窄深段断面平均流速的0.8倍);推移质淤积试验结果表明,可通过比较床面摩阻流速与推移质临界起动摩阻流速来判断推移质的运动状态,当满足淤积条件时,绝大部分推移质会停止运动并淤积在下游宽浅航槽段。在山区卵石航槽中,当河床粗化层不发生破坏,可通过直接比较局部航槽段床面摩阻流速与推移质临界起动摩阻流速来预测推移质运动或淤积情况。     

斜墙式消力坎不同出流的试验研究

目的——初步研究斜墙消力坎对整个水流流态的规律和随坎倾角的变化在消能方面的变化规律;方法——根据重力相似性原理,设计和制作了三种陡坎水泥模型,通过对在一定水流条件下斜墙式消力坎的消能情况的单项试验研究,对比了不同角度下消力坎的消能原理和消能效果;结论——试验证明,斜墙式消力坎的倾角越大,消能率越大,同时收缩端面处的回漩流速也更大.     

前置掺气坎式阶梯溢洪道体型布置优化试验研究

对光滑溢洪道、阶梯溢洪道和前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性进行了对比研究.针对阶梯式溢洪道工作水头很高,单宽流量超过50 m3/s的工程中尚没有成功应用实例的难题,提出采用前置掺气坎式阶梯溢洪道即能保持阶梯溢洪道的较大消能率,又能通过控制掺气浓度保护台阶表面避免发生空蚀破坏,较好的解决了溢洪道体型优化和下游消能防冲问题.对前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性、消能特性、掺气效果、抗空蚀特性进行分析和研究,成果表明,通过掺气坎和台阶的体型优化,各级流量的消能率均达到70%左右,尽管台阶后负压达-2.3 kPa量级,实测溢洪道台阶竖直面后的掺气浓度沿程分布均大于5%,与传统阶梯式溢洪道相比,抗空蚀性能明显提高,与光滑溢洪道相比,消能率提高2～4倍,消能效果良好.     

前置掺气坎式阶梯溢洪道体型特点及工程应用试验研究

为了避免阶梯溢洪道中前几级阶梯表面发生空蚀破坏,将掺气坎应用到阶梯溢洪道体型设计中,形成前置掺气坎式阶梯溢洪道。这既能充分利用阶梯增加沿程消能的优点,又能扩宽阶梯溢洪道的应用范围。工程模型试验成果表明,通过掺气坎和阶梯的体型优化,各级流量的消能率均达到70%左右。1:40物理模型试验上实测溢洪道阶梯竖直面后的掺气浓度沿程分布均大于5%。研究表明这种新型阶梯溢洪道掺气量与掺气浓度易于控制,底部掺气充分,抗空蚀性能优越,消能率高,可以在高水头、大单宽流量溢洪道中推广应用。     

一字闸消能形式试验研究

为了探讨一字闸下游的最佳消能形式,本文根据一字闸水流特点,提出四种底流式消能工进行对比实验,通过对水流流态、流速分布、消能率等因素的综合分析,认为对渠系建筑物中的小型一字闸,选取挖深式消力池做消能工即能满足工程需要.     

低佛氏数宽尾墩水跃消能问题试验研究

在低坝或低佛氏数水跃消能中,宽尾墩的应用使水流结构发生了巨大变化。黄河大峡水电站溢洪道宽尾墩消能方案研究中,这一情况非常明显。这一特有的水流形态可称之谓宽尾墩水跃。本文首先对宽尾墩水跃的机理进行了定性描述,并且对宽尾墩水跃中几个关键问题进行了论述:通过波浪要素的量测,分析了宽尾墩对水跃的跃后波浪的抑制作用;通过流速和紊动强度的量测,计算,分析了宽尾墩水跃后紊动强度分布与消能效率;借助压力传感器和一套分析处理系统,揭示了宽尾墩水跃消力沲底板脉动荷载的变化规律。实验证明:与高坝宽尾墩消能相比,宽尾墩在低坝消能中同样十分有效。在低坝上采用墩——池结合的消能型式。可以有力地抑制下游波浪,稳定消能水体,调整流速分布,减小下游紊动强度增加低佛氏数水跃消能的消能率,减轻建筑物下游的冲刷。当然,在具体应用这一消能型式时,还要考虑工程涉及到的其他问题。     

Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped spillways

Stepped spillways for significant energy dissipation along the chute have gained interest and popularity among researchers and dam engineers. Due to the com- plexity of air-water two-phase flow over stepped spillways, the finite volume computational fluid dynamics module of the FLUENT software was used to simulate the main characteristics of the flow. Adopting the RNG k-ε turbulence model, the mixture flow model for air-water two-phase flow was used to simulate the flow field over stepped spillway with the PISO arithmetic technique. The numerical result successfully reproduced the complex flow over a stepped spillway of an experiment case, including the interaction between entrained air bubbles and cavity recirculation in the skimming flow regime, velocity distribution and the pressure profiles on the step surface as well. The result is helpful for under-standing the detailed information about energy dissipation over stepped spillways.     

高坝施工导流洞改建为旋流竖井式泄洪洞的水力特性研究

为了研究旋流式竖井泄洪洞的水力特性,结合某水利枢纽施工导流洞改建为旋流竖井泄洪洞水工模型试验的部分研究成果,通过大量的优化试验研究,分析了竖井涡流消能工况的流态、压力分布、流速分布、消能率等水力特性.试验研究结果表明,这种旋流竖井式泄洪洞消能效率可达88%以上,涡室与竖井的水流流态比较平顺,压力分布合理.所得结论为旋流竖井泄洪洞的设计提供了依据,可为类似工程参考.     

过水围堰溢洪的全域三维数值模拟

过水围堰由于涉及范围广、边界复杂,溢洪的全域三维数值模拟还较为欠缺.为实现物理模型与数值计算的互补,采用紊流模型对上、下游过水围堰及基坑,包括部分河道进行了三维数值模拟.给出典型工况围堰的泄流能力,消能平台水气两相流特性,以及三维流场和压力分布.上游水位与围堰泄流量的关系,计算与实测进行了对比分析,大洪水工况时二者吻合较好,小洪水工况时有一定偏差.研究表明:顺水流方向结构化网格的生成,使模拟的过堰水流与实际情况更为相符.     

陡弯束窄型溢洪道内水流的流态控制研究

通过模型试验,对一具有复杂边界条件的溢洪道内水流的流态进行研究.比较了多种流态控制方案,提出了在泄槽的恰当位置增设贴底横坎的工程措施,该措施破坏了水流冲击波的迭合,有效地控制了泄槽的流态.     

官帽舟水电站泄洪洞出口形式优化试验研究

运用官帽舟水利枢纽整体水工物理模型,对溢洪道、泄洪洞体形结构进行试验研究.针对原设计方案中水舌冲刷右岸边坡且冲刷深度较大的问题,提出了4种优化方案,通过试验成果比较后,选择方案Ⅳ为推荐方案对泄洪洞挑坎体形进行修正.通过调整挑流鼻坎边墙形状、出口宽度、挑坎角度以及增加差动墩的方法,优化了泄洪洞出口挑坎,使下泄水流更顺畅,消能更充分,满足下游两岸防冲要求.     

改善泄洪放空洞挑流消能效果的试验研究

采用水力模拟方法研究了某水库泄洪放空洞泄流状况及下游消能、冲刷、流态等问题.由于该泄洪放空洞属改建,轴向布置与下游河道边界不相适应,挑射水流入河后顶冲下游河道右岸防护堤,引起强烈的涌浪波动,以致壅高水位并造成流态紊乱,直接威胁堤防.通过分析研究,提出了将挑流鼻坎向左转角32°的优化方案,并采用束窄出口及圆弧扭面衔接的技术,调整挑射水流方向,有效保证了下游消能安全,同时避免了主流顶冲右岸堤防;由于消除了拦沙坎,下游出流平顺,边岸涌浪基本消失,大大降低了下游洪水位,削减了边岸回流强度与淘刷,保证了右岸施工营地的安全.     

流场计算中自由表面的处理

本文针对水流计算中不规则边界和自由表面问题，从流日两相流理论出发，推导得出具有不规则边界时的紊流控制方程，引入通度概念处理不规则计算边界；采用ＭＡＣ方法的思路，直接从物质输运方程出发，推得流体体积输运方程，用ＶＯＦ法追踪随时间起伏的自由表面。利用所建立的数学模型计算了实用重力坝及其下游库式消力池中水流流场，并对一个收缩式消力池中三维水跃进行数值模拟。计算结果较好地与实验结果符合。     

峡口拱坝消能方式的选择和计算

通过试验研究,将峡口表孔布置为大差动高低坎泄水方式,两侧边表孔采取高挑坎,中表孔采取低挑坎.在拱坝的向心作用下,边表孔的水舌与中表孔的水舌在空中相互交汇碰撞,可提高整体消能效果,明显减轻坝下冲刷.理论分析表明,上下水舌的交汇角越大,碰撞率消能率越高.改变中、边表孔的挑坎高程差和各自的挑角,可增大上下挑射水舌碰撞角度,提高空中消能率.峡口水电站的交汇角为37°,计算空中消能率为9%.