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。     

齿墩式内消能工的压力及流速特性研究

为进一步了解齿墩式内消能工的特性,通过物理模型试验,分析了在齿墩数相同、面积收缩比不同的情况下齿墩式内消能工的过流能力、时均压强、脉动压强及脉动流速。结果表明,管道的过流能力主要由齿墩式内消能工的体型及尺寸决定;时均压强在齿墩进口处急剧下降,在距齿墩段进口0.2 D(D为试验管内径)处达到最小值,之后逐渐上升,到距齿墩段进口2.5 D处恢复平稳,且在试验范围内,面积收缩比越小,时均压强降幅越大,消能效果越好;脉动压强在齿墩段后出现最大值,面积收缩比ξ=0.375时脉动压强最大,其概率密度分布接近正态分布;脉动流速最大值出现在齿墩段出口处,管中心的脉动流速小于管壁处的脉动流速。     

有压管道齿墩型内消能工水力特性试验研究

为使消能体型尽可能减小对过流能力的影响,在洞塞内消能研究的基础上提出了一种齿墩型内消能方式,并采用4种方案进行了试验研究。分析结果表明,面积收缩比和齿墩数量、尺寸是影响消能效果的主要因素;各方案的时均压强在进口处迅速递减,在距齿墩段进口1.0D（D为管道直径）左右达到最小值,而后逐渐恢复,在距进口4.0D处趋于平稳;脉动压强在距齿墩段进口1.5D左右达到最大值,然后急剧衰减,在距进口6.0D处逐渐平稳。在试验范围内,齿墩型内消能工的消能率最高可达75%,能大量消除管道内多余的能量,是一种有效的消能型式。     

二级齿墩式内消能工的数值模拟

为了进一步研究齿墩式内消能工的水力特性,提出了一种新型的消能方式,即二级齿墩式内消能工。通过建立标准κ-ε数值模型对单级齿墩式内消能工进行数值模拟,并与物理模型试验的结果进行对比,验证了模型的准确性,进而对二级齿墩式内消能工的部分水力特性进行数值模拟。结果表明,在齿墩段间距不变的条件下,随着面积收缩比减小,管道的过流能力变弱,消能率增大,压强降幅明显;在面积收缩比不变的条件下,齿墩段间距在一定范围内的增长会使管道消能率变大,过流能力减弱,最小空化数减小,产生负压和空化现象的可能性增加;当齿墩段间距大于80 cm时,管道的过流能力及消能率基本保持稳定。     

二级齿墩旋转内消能工的试验研究

为了满足过流能力的同时进一步提高消能效果,在一级齿墩式内消能工研究的基础上,采用理论分析和物理模型试验方法,对断面收缩比为0.5、齿墩数目为4、齿墩长度为13.5cm的二级齿墩进行物理试验,分析了二级齿墩式内消能工相对旋转后的水力特性。结果表明,脉动压强系数沿程分布规律基本一致,从一级齿墩开始到二级齿墩结束,受齿墩突缩突扩影响,脉动压强系数变化最明显,在4.2倍的管径附近脉动压强系数达到最大,在6.5倍的管径附近,脉动压强系数逐渐恢复平稳;当两个齿墩相对旋转角越小时,过流能力越好,消能率越小;当两个齿墩相对旋转角越大时,过流能力变弱,消能率变大。     

齿墩式内消能工的水力特性数值模拟研究

为了进一步研究齿墩式内消能工的水力特性,采用数值模拟方法,利用Gambit软件建立齿墩式内消能工的计算网格,借助Fluent软件中RNGκ-ε双方程紊流模型对水流流动进行数值模拟,物理模型试验结果与数值模拟结果吻合较好,并在此基础上利用数值模拟方法分析了齿墩式内消能工的压强、流速、消能率及过流能力等水力特性。结果表明,在齿墩入口处管道中心附近的压强明显小于管壁的压强,进入齿墩段,压强骤降形成低压区;在齿墩下游0.1 D(D为管道直径)处压强降到最低,之后开始恢复,并逐渐趋于平稳,压强恢复区长度约为3 D;在齿墩末端正后方形成漩涡回流区,漩涡长度约为1.2 D,之后流速分布趋于均匀;与相同面积收缩比的洞塞式内消能工相比,虽然消能率相应降低,但其流量系数的增幅大于消能率的减幅,有利于缓解过流能力与消能效果的矛盾。     

齿墩数目对齿墩状内消能工消能效果的影响

为改善传统消能方式、底流消能方式、挑流消能方式带来的不利影响,选取面积收缩比相同(ε=0.5)而齿墩数目不同的4种试验方案,通过物理模型试验,分析了各方案下齿墩状内消能工的消能率、脉动压强和空化特性。结果表明,4种试验方案的消能率大致随齿墩数目的增加而降低,方案A的消能效果最佳;脉动压强系数沿程分布规律基本相同,脉动压强在齿墩段变化剧烈,脉动压强最大点均出现在齿墩段后约1.5 D(D为圆管直径)处,随后又迅速减小,并在距齿墩段4 D后逐渐恢复平稳状态;在试验研究范围内,当n3时脉动压强随齿墩数目的增加而增大,n=4时脉动压强最小,其抗空化性能最好;脉动压强概率密度分布基本近于正态分布。研究结果可为内消能工的工程应用提供依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于Flow-3D的高速水流无压溢洪洞内消能工数值模拟

针对目前高速水流消能形式存在的缺点,基于Flow-3D软件,采用RNGκ-ε模型、Tru-VOF法模拟了无压洞式溢洪道内消能墩附近的水流运动特性,结合洞塞式消能工的消能机理和水工模型试验,对比分析了内消能墩附近的水流流态、流速分布、压强分布、水面线和消能率等。结果表明,在控制断面束窄度的条件下,消能墩附近流态不会影响洞内安全,消能效果较好,消能墩对墩后水流影响距离较短,为在洞内设置多组消能墩提供了依据。研究成果可为类似工程提供参考。     

齿墩内表面不同的两种体型齿墩式内消能工的数值模拟

为了研究两种体型齿墩式内消能工对管道内部水力特性的影响,采用FLUENT软件中的κ-ε数学模型模拟分析了齿墩内表面为平面(体型Ⅰ)和齿墩内表面为圆曲面(体型Ⅱ)两种体型消能工的流场、压力场、紊动能及水力参数等.结果 表明,相同流速下齿墩内表面由曲面变为平面会扩大压强变化段长度和减小消能工出口处低压区的压强,且在大流速时...     

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。     

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。     

渐缩突扩式洞塞水力特性的数值模拟研究

为了深入了解新型渐缩突扩式洞塞泄洪洞的压强分布和消能率等水力特性,采用三维RNGκ-ε紊流数学模型对渐缩突扩洞塞段水流进行了数值模拟研究,分析了雷诺数、收缩比和相对长度对渐缩突扩洞塞的局部水头损失系数和最小压强系数的影响,并与顺直洞塞的对应水力参数进行对比。结果表明,渐缩突扩洞塞的局部水头损失系数和最小压强系数主要受收缩比和相对长度的影响,且收缩比的影响比相对长度显著。随着收缩比和相对长度的增大,局部水头损失系数和最小压强系数相应减小。与顺直洞塞相比,渐缩突扩洞塞的消能率较小,但具有更强的抵抗空蚀破坏的能力。     

齿坎式宽尾墩消能特性CFD模拟

为了解齿坎式宽尾墩的消能效果和机理,以出山店水库枢纽工程为例,在模型试验和数值模拟结果吻合良好的基础上,研究了齿坎式宽尾墩的消能特性和流态,并进一步分析了齿坎式宽尾墩尾端折角大小和齿坎角度对其消能效果的影响。结果表明,水流通过宽尾墩的齿坎后分层,不同层的水流流速不同而相互紊动摩擦,层间水翅在较远处产生剧烈碰撞,进而增强消能效果,获得了最优齿坎式宽尾墩体型,可为工程设计提供参考。     

突缩突扩式管道消能工能量损失特性研究

为明确突缩突扩式消能工能量损失系数与相关影响因素之间的关系,通过数值模拟试验,分析了孔径比、厚径比、雷诺数等因素对能量损失系数的影响。结果表明,孔径比越小,能量损失系数越大;当孔径比超过0.7时,孔径比对能量损失系数的影响不再明显;能量损失系数随厚径比的增大而减小,但当厚径比超过0.5时,能量损失系数随厚径比的增大而减小的趋势变得不明显;当雷诺数大于10~5时,雷诺数对能量损失系数的影响可忽略。     

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。