底流消力池墩栅联合消能工水力特性数值模拟研究

针对低弗汝德数底流消力池消能不充分、流态紊乱及底板时均动水压强过大而造成失稳破坏的问题,通过采用数值模拟的方法,对传统消力池内分别加设趾墩-悬栅、消力墩-悬栅、T型墩-悬栅联合辅助消能工,分析各联合辅助消能工的水力特性及消能规律。结果表明：消力池内布置3种墩栅联合辅助消能工后,相较于传统消力池,水面流态趋于平稳,消力池底板最大时均动水压强分别减小了50%、25%、12.5%,消能率分别提高了3.13%、6.06%、5.24%;相较于同种墩型消力池（未加悬栅）,消力池底板最大时均动水压强分别减小了20%、25%、12.5%,消能率分别提高了0.17%、3.05%、0.39%;趾墩、消力墩、T型墩与悬栅辅助消能工联合运用具有优势叠加效应。本研究可为解决同类底流消能问题提供参考。     

低弗劳德数梯形墩-悬栅消力池水力特性

针对大单宽流量、低弗劳德数消力池内消能问题,通过物理模型试验方法,对比分析消力池内加设梯形墩和悬栅消能工后水力特性和消能效果,优化梯形墩-悬栅消力池布置形式。结果表明：在低弗劳德数水流条件下,梯形墩-悬栅联合消能工断面水深分布均匀,消力池底板沿程压力分布梯度和时均压力分布系数波动幅度较小,整体稳定性较优;动能修正系数基本保持在1<α<2的范围内,可有效改善入池断面流速分布;消能率由传统消力池的52.25%、70.37%、75.89%分别提升至56.74%、75.95%、79.22%;梯形墩-悬栅消力池内悬栅单排等间距、高度与尾坎同高布置时,梯形墩呈双排交错形式布置在距池首0.35L左右处对于整体流态改善明显,消力池出口流速可降至0.4 m/s,消能率提高至59.63%、76.12%、79.37%,研究结果可为同类工程的底流消能问题提供一种新思路。     

趾墩-悬栅消力池水力特性分析

为了解决新疆某工程泄洪洞消力池流态紊乱、消能率低的问题,采用数值模拟方法 ,在设计及校核流量下,对传统消力池、悬栅消力池以及趾墩-悬栅消力池3种不同形式消力池水力特性进行系统性分析。结果表明：趾墩-悬栅联合消能工改善了消力池内水流流态,消力池发生淹没式水跃,其池内悬栅与悬栅间隙处涡量分布广泛,池内整体涡量分布比悬栅消力池分布更加均匀。在设计流量下,消能率为74.41%,相较于传统消力池消能率提高2.61%,相较于悬栅消力池消能率提高0.95%;在校核流量下,消能率为78.99%,相较于传统消力池消能率提高5.64%,相较于悬栅消力池消能率提高0.95%。     

消力池内悬栅辅助消能工优化试验

针对新疆迪那河五一水库溢洪洞消力池原设计方案不能满足正常宣泄洪水的问题,对消力池内梯形墩和T形墩的位置、数量和尾坎高度等进行调整,设计了17种消力池修改方案,并采用悬栅与梯形墩联合运用的综合式消力池,通过对悬栅优化方案的比选和悬栅高度的合理性验证,最终确定了溢洪洞消力池悬栅消能工的最佳方案进行优化。试验结果表明:悬栅消能工的设置解决了原设计方案水流溢出池外、不能形成淹没水跃的问题;消力池池长由原设计方案的83 m缩短至70 m,避免了工程投资的增加。     

增设收缩墩后的跌坎消力池三维流场研究

当消力池池长和池宽受到限制时,跌坎底流消能工在大单宽流量、低Fr来流条件下引起的振荡水跃对消力池具有较大的破坏力;模型试验研究发现,在跌坎消力池前采用收缩墩后的联合消能工可有效解决上述问题。选取RNG k-ε模型和流体体积函数法(Volume of Fluid,VOF)自由液面追踪法,构建有无收缩墩2种跌坎消力池并进行数值模拟,得到流场内的水力特性,并结合试验数据对有无收缩墩的2种跌坎消力池方案进行对比分析。结果表明:跌坎消力池池内紊动能不足和大尺度漩涡的不稳定性是引起振荡水跃的主要原因;设置收缩墩后水流经收缩墩横向收缩和纵向拉伸后形成收缩射流,在消力池内形成2条细长的强紊动区,形成了更多三维漩涡,漩涡尺度变小,紊动剪切加剧,破坏了不设收缩墩时的水跃旋滚,有效地消除了振荡水跃。这种消能工对工程条件限制下的低Fr数、大单宽流量底流消能具有较高的推广应用价值。     

某拦河大坝下游消力池结构对消能防冲的影响

针对某拦河大坝消力池消能效率低以及下游河床冲刷严重等问题,开展优化消力池结构、改善下游消能防冲效果的物理模型试验研究。通过采取改变消力池尾坎形式及增设趾墩的技术措施,分析3种不同方案之间存在的差异。结果表明,在原设计垂直尾坎的基础上,增设趾墩消能工能够产生淹没式水跃,且使下泄水流迅速分散,增大紊动强度,从而达到提高消能效率和保护下游河床效果。研究成果对指导实际工程设计具有重要的实用价值。     

宽尾墩下游消力池底板动水荷载试验研究

“宽尾墩 消力池”是 3 0年前由我国首先提出并发展起来的消能形式。在依托工程模型试验的基础上 ,通过大量点、面水流脉动荷载测试数据的综合分析 ,基本掌握了宽尾墩射流作用下消力池底板动水压力的规律性分布 ,提出了点、面脉动荷载系数确定方法和结果 ,不仅为工程消力池底板结构稳定计算提供了科学依据 ,而且也提高了该消能形式水流动力特性的认识。     

阶梯溢流坝和宽尾墩及消力池组合消能的水流数值模拟研究

采用两相流模型,辅以Realizable k湍流模型,来模拟阶梯溢流坝和消力池组合以及阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合两种联合消能工的水力特性,获得了流速场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率等物理参量的分布。网格划分采用了分区域划分:模型中任何形状不规则的复杂部分采用非结构网格划分,对形状规则的部分则采用了结构网格划分,并根据流动梯度的大小安排网格的疏密程度。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用了VOF法处理自由水面,使用PISO算法求解速度与压力的耦连方程组。比较分析了两种消能工在速度场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率的差异。研究结果表明:受宽尾墩的影响,坝面及消力池中的流速均小于无宽尾墩的情况,而台阶坝面的压强明显高于无宽尾墩的情况;在消力池中紊动动能及其耗散率均大于无宽尾墩的情况。可见,阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合消能工的消能优于无宽尾墩的情况。     

悬栅布置形式对消力池消能效果的影响试验

悬栅消能工是将栅条悬空布置于泄水陡坡或消力池内的一种新型消能方式,为进一步研究新型悬栅消能工及其消能效果,通过物理模型对影响消力池消能效果的矩形悬栅布置形式进行试验。结果表明:消力池内布置悬栅对稳定水流和降低水深作用明显;由栅高hs、栅距bs、悬栅数量ns对池内最大水深hm影响得出栅高hs的适宜值为10 cm,栅距bs的适宜值为4~5 cm,悬栅数量ns的适宜值为16~20根;在Q=15 L/s下,悬栅hs=10 cm、bs=4 cm、ns=20根的布置形式可将消力池最大水深降低4.97 cm,降幅高达15.84%。     

消力池底板及导墙脉动压力特性试验研究

消力池底板属轻型结构,其结构的振动、抗冲、稳定等均与底板水跃区的水流脉动强度直接相关。依托某工程,对底流消能的消力池底板及导墙脉动压力特性进行了较系统的水力学模型试验研究,通过对水流脉动压力测试数据的综合分析,获得了消力池底板及导墙动水压力的分布规律以及点、面压力脉动的换算关系。研究丰富和发展了消力池及导墙的脉动压力特性研究,可为底流消能形式的水流动力特性深入研究提供科学参考。     

溢洪道挑流鼻坎水气二相流数值模拟研究

针对某溢洪道挑流消能存在的问题,采用VOF方法、立方体网格和k-ε紊流模型对溢洪道整体水力特性进行了三维数值模拟,对挑射水流流态、水舌掺气、水垫塘底板压强、下游河道流速等方面进行了分析。将某溢洪道由原高低式挑流鼻坎修改为差动式后,增大了下泄水流入水范围,提高了挑流消能的消能效率,减小了水垫塘底板压强,降低了下游河道水流流速。优化方案数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。     

高重力坝防冲建筑物体型参数对水力特性的影响

高重力坝防冲建筑物体型参数的选取决定了泄洪消能水流的水力特性,从而影响水电站的安全运行。采用水工模型试验的方法,研究了防冲建筑物体型参数对水流的水力特性影响规律。研究结果表明：水垫塘长度的减小,使塘内淹没冲击射流的扩散空间减小、冲击区的紊动增强,导致塘内底板时均压强谷值减小、脉动压强均方根峰值增大、底板安全风险增大;二级消力池池长的减小,使出池临底流速增大、下游冲刷风险增大;二道坝高度的降低,导致水垫塘底板沿程时均压强减小、脉动压力均方根峰值增大、底板安全风险增大,同时导致二级消力池内水跃收缩断面水深增加、跃首区临底流速降低、紊动强度降低、脉动压力均方根峰值减小,但出池临底流速增大。     

宽尾墩射流作用下消力池底板的稳定

在模型试验基础上 ,论述了溢流坝宽尾墩下游消力池的水流特性 ,池底板动水荷载分布 ,底板失稳过程和机理 ,并在一定的假定条件下推导出底板稳定厚度和水垫深度之间的关系 ,为池底板的分区厚度设计提供了科学依据     

百色水利枢纽消力池设计

针对百色水利枢纽消力池地质条件差和水流条件复杂的特点,概述该消力池的设计,通过材料力学方法和有限元方法对消力池建筑物进行稳定、应力和基础变形计算,并结合基础处理、底板锚固和基础防渗排水设计等,确保消力池设计的安全性。     

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。     

底流钢膜消力池底板上表面脉动压力试验

为确保消力池防护结构在水流冲击下的安全,探索一种新的钢膜消力池防护结构,即在消力池传统的不透水混凝土底板上部铺设一层均匀开孔的薄钢板。基于某底流消力池模型试验,研究了铺设均匀开孔钢膜对不透水底板上表面脉动压力分布规律的影响。试验结果表明:铺设均匀开孔的钢膜后,对于消力池前端旋滚区,脉动压力强度系数减小、概率密度函数基本满足正态分布,但幅值范围更加集中;纵向各点的相关性降低、空间积分尺度下降,涡旋保持性降低;脉动压力主频基本不变,但脉动能量集中的频带变窄。与透水底板比较,钢膜消力池防护结构可以有效减小作用在消力池前端底板上表面的脉动荷载,初步表明这种结构具有一定的可行性。