某水库台阶式溢洪道脉动压强特性研究

台阶式溢洪道水流流态复杂,其水流脉动直接影响到水利工程的安全,为论证某水库台阶式溢洪道的安全性,采用物理模型试验方法,对台阶式溢洪道脉动压强特性进行研究。结果表明,台阶式溢洪道底板脉动压强是随时间变化的平稳随机过程;脉动压强强度在台阶凹角和中点处相差不大,从台阶面中点向凸角处逐渐增大;脉动压强强度沿程交替出现波峰和波谷,呈波浪状变化,并随流量的增加而增大;台阶式溢洪道脉动优势频率主要集中在0~2 Hz,属低频振动。研究成果可为类似工程的优化设计提供参考。     

台阶式溢洪道消能率影响因素分析

台阶式溢洪道利用台阶改变水流方向,导致水流动能耗散,对提高溢洪道消能效果具有重要意义。与光滑溢洪道相比,台阶式溢洪道的消能率更高,因此在水利工程中得到广泛应用。台阶式溢洪道消能效果主要用消能率衡量,与光滑溢洪道比,台阶式溢洪道的水力参数更加复杂。采用室内试验与理论分析耦合方法,分析了台阶式溢洪道台阶高度、流量、坡度对消能率的影响。研究表明:其它参数相同时,台阶式溢洪道长度增加,消能率增加;单宽流量增加,消能率减小;台阶高度增加,消能率增加。     

台阶式溢洪道水流压强特性试验研究

为探讨台阶式溢洪道水流压强特性,结合青藏高原某水库,采用物理模型试验方法对高海拔地区台阶式溢洪道时均压强、脉动压强等特性进行了系统研究。结果表明:台阶式溢洪道水平面时均压强和脉动压强变化规律基本一致,从台阶凹角向凸角方向先有所减小,后逐渐增大,当流量较小时,时均压强在初始台阶会出现负值;台阶竖直面负压区范围超过整个台阶高度的一半,脉动压强在台阶顶角处较大;台阶式溢洪道时均压强和脉动压强沿程交替出现波峰和波谷,呈波浪状变化,总体上随流量的增大而增大,改变台阶尺寸,其值也发生变化;台阶式溢洪道脉动压强是随时间变化的平稳各态历经的随机过程,脉动优势频率为0~2 Hz,属低频振动,其概率密度为偏态分布,不会危害泄水建筑物安全。     

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。     

台阶式溢洪道相对流速和相对消能水头的关系

流速和消能水头是重要的水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。将台阶式溢洪道流速、消能水头与对应光滑溢洪道流速、消能水头对比,引入相对流速、相对消能水头的概念。通过对0.5,1.0,2.0 m 3种不同台阶高度,38.66°坡度的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了流速、消能水头,相对流速、相对消能水头之间的关系。结果表明:非均匀流流态下流速、消能水头呈曲线关系,不便分析应用;相对流速和相对消能水头表现出良好线性关系,相关系数0.973 7~0.995 9,证实了引入相对流速、相对消能水头的必要性。     

新疆某水电站溢洪道台阶段水工模型试验研究

通过建立溢洪道物理模型,在台阶坡度恒定条件下,试验采用0.65、1.0和1.3 m三种台阶高度,研究不同水位下的消能效率、掺气状况及水流流态,研究表明:同一台阶消能率与单宽流量成反比,单宽流量越大,消能效果越差;对不同台阶高度,台阶高度越高,消能率也越大。增加掺气坎,可使水流充分掺气,水流流态良好,可保证台阶面安全可靠运行。     

高海拔地区台阶式溢洪道水力特性研究

为了探究高海拔地区台阶式溢洪道水力特性,对坝顶位于海拔 2 586.0 m,斜坡角度 θ=32° 的某大坝台阶式溢洪道进行了模型试验。通过改变来流流量,研究了 3 种不同工况下溢洪道台阶竖直面及水平面时均压强、水面线、流速、脉动压强等水力特性。结果表明:在 3 种试验工况下,台阶式溢洪道不仅具有较高消能率,而且不会发生空化空蚀破坏;溢洪道竖直面及水平面压力沿程为跳跃式分布;水深及流速在台阶溢洪道上达到某一值后,基本稳定。该结果可为高海拔地区的台阶式溢洪道优化设计提供参考依据。     

台阶式溢洪道的水力特性

台阶式溢洪道是水利工程中常见的新型泄洪消能方式之一,相比于其他消能方式有较高的消能率、能很好地降低溢洪道末端流速,工程造价低、不易发生空蚀等诸多优点。文章概述了台阶式消能工机理及其主要研究方法,归纳了学者对台阶式消能已有的研究结果,并从溢洪道表面台阶设置、水力特性参数、台阶自身形态与消能特性关系3个方面总结了消能率的影响因素,进一步讨论了"M"和"V"2种新型的台阶溢洪道消能特性,通过改变台阶形态增强了消能效果,较大程度地缩减了溢洪道的长度,降低了对下游消能设施的要求。     

台阶式溢洪道滑行水流消能特性研究

台阶式溢洪道的消能特性是研究的热点方向,而单纯的台阶式溢洪道消能率并不能有效反映台阶在消能方面的价值。将台阶式溢洪道和同体形光滑溢洪道的消能规律进行对比,可以准确反映出台阶结构对水流消能的贡献。通过对26.56°、38.66°、51.30°三组坡度,0.5、1.0、2.0 m三种台阶高度的台阶式溢洪道进行水工模型试验研究,探讨了不同台阶高度(d)、单宽流量(q)、坡度(θ)下相对消能率(Δη)和台阶流程长度与水深比(L/h)的关系。结果表明:台阶水流为滑行流态时,在非均匀流段上相对消能率和台阶流程长度与水深比呈线性关系,复相关系数R~2在0.984 6~0.996 2之间,直线斜率随单宽流量、台阶高度、坡度的增大而增大。试验分析证实了研究相对消能率的必要性,Δη和L/h的线性关系为进一步探究台阶的消能特性提供了依据。     

带尾坎的阶梯溢洪道数值模拟研究

带尾坎的阶梯溢洪道是一种新兴的阶梯溢洪道,在一定条件下可提高掺气效果和消能率,但是对于该种溢洪道内水流三维结构、压强分布以及尾坎参数对相关水力学指标的影响的研究甚少。为此,采用三维紊流数值模拟的方法计算了不同尾坎高度的阶梯溢洪道内水流流态、压强分布、流场结构、旋涡结构、消能效果等。研究结果表明:增加尾坎高度会抬升水面高程,但对水面形态影响较小;台阶水平面上压强分布呈"凹"形曲线,最小值出现在台阶中部,台阶竖直面压强最小值出现在其顶部,且台阶水平面、竖直面上压强均随尾坎高度增大而增大;旋涡强度和尺度随着尾坎高度增大而增大,但是主流流速分布无明显变化;消能率随尾坎高度增大呈上升趋势,但是变幅较小。     

基于SPH方法的阶梯式溢洪道消能特性研究

为了研究阶梯式溢洪道的消能特性,本文通过二维建模的方式,利用光滑质点水动力学方法(SPH)对31阶阶梯式溢洪道的水流进行数值模拟,将模拟值与试验值进行了对比,并针对2种台阶数目和4种单宽流量共计8种工况,对不同工况的阶梯式溢洪道沿程水深、水流流速以及消能率进行了分析。结果表明,31阶阶梯式溢洪道水流的水面深度、流速和压强模拟值与试验值吻合较好;36阶和60阶阶梯式溢洪道沿程水深和水流流速与单宽流量呈正相关趋势,随着单宽流量的增加而增大,且在水流稳定之后,水面深度和流速都会维持在某一个值附近;而阶梯式溢洪道消能率沿程逐渐增大并在最后一级台阶处达到最大值。同时,当溢洪道体型一定,消能率随着单宽流量的减小呈上升趋势,当单宽流量减小至0.1283m2/s,36阶和60阶阶梯式溢洪道的消能率分别达到了83.67%和82.86%。     

前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响

将掺气坎布置在宽尾墩出口和阶梯溢流坝首级台阶的中间位置,能有效减小高坝泄水建筑物在高速水流作用下发生空蚀和冲刷破坏的概率。利用水气两相流模型并联合RNG k-ε模型,模拟计算不同前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气浓度和消能特性的影响,前置掺气坎角度依次取8°,10°和11.3°。其中模型采用VOF方法对自由水面进行处理,利用几何重建方式对水气面附近进行插值,采用PISO算法和非定常流算法进行计算。模拟计算结果表明,在不同前置掺气坎角度下,阶梯面平均掺气浓度沿程变化趋势为总体减小并在后几级台阶处保持不变;在靠近掺气空腔后的台阶处,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先减后增,而沿阶梯面垂直近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先增后减,且同一断面的掺气浓度随前置掺气坎角度的增加而逐渐增加;在靠近反弧段的阶梯上,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐增大,而沿阶梯面垂直近壁面凸角到凹角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐减小,随着前置掺气坎角度的增加,同一断面掺气浓度随着增大,且泄水建筑物消能率随之增大。     

掺气分流墩阶梯溢流坝面水力特性试验研究

对有掺气分流墩和无掺气分流墩的阶梯溢流坝面流场进行了对比试验研究。通过对压力、掺气浓度和消能效果等的分析和讨论，得出了掺气分流墩的增设将消除或降低阶梯凹角内和立面上的负压，显著增加了坝面水流的掺气量和掺气范围并提高了阶梯坝面消能率等重要结论。本研究为在大单宽流量下如何提高阶梯式溢流坝的消能率和防止空蚀破坏等方面进行了探索。     

基于SPH的台阶式溢洪道最优消能率参数研究

为研究台阶式溢洪道的消能规律,明确台阶式溢洪道的最优消能率参数,利用DualSPHysics对台阶式溢洪道水流特征进行模拟,并通过与典型案例的对比分析验证了SPH方法对台阶式溢洪道水流模拟的适用性与准确性,模拟结果表明SPH方法可以较好地模拟台阶式溢洪道上的水流特征。通过建立不同单宽流量、台阶段坡度和台阶数目的共计288种工况对台阶式溢洪道消能规律及其影响因素进行了研究。结果表明：在其他条件一定的情况下,台阶式溢洪道的消能率与单宽流量呈负相关关系;台阶数目对台阶式溢洪道消能率的影响并不显著,但是存在一个台阶数目能使台阶式溢洪道的消能率达到最大值,该最优消能率对应的台阶数目在78~81阶范围内,此结论对指导实际工程应用有一定的参考价值。     

库什塔依水电站溢洪洞陡槽台阶式消能试验研究

库什塔依水电站溢洪洞采用了陡槽台阶式消能。为确定相对合理的台阶高度、体形,进行了溢洪洞陡槽段单体水工模型试验。试验结果表明,设置47个高度为1.0 m的台阶具有较好的消能效果;台阶面在各运行工况流态良好;台阶水平面在各运行工况下均为正压强,但台阶面的竖向面在台阶下游有负压强出现。采用在台阶进口处增加掺气设施可避免可能发生的空蚀破坏。     

台阶式溢洪道滑行流相对水力特性规律研究

台阶式溢洪道消能效果显著、能大大减小下游消力池的尺寸、节省工程量和投资,但其水流规律复杂。本文对比研究了台阶式溢洪道和同体型的光滑溢洪道,并引入台阶式溢洪道相对流速、相对弗劳德数、相对消能率等3个相对水力参数。通过模型试验,分析了台阶式溢洪道流速、弗劳德数、消能率等常规水力参数及3个相对水力参数沿程变化规律、相对临界水深及溢洪道坡度对常规及相对水力参数的影响。分析结果表明:台阶式溢洪道常规水力参数沿程呈复杂的曲线变化规律,相对临界水深及坡度对常规水力参数的影响亦较为复杂,不便应用;台阶式溢洪道相对水力参数沿程表现出良好的线性相关关系,相关系数平均值为0.9887～0.9944;相对水力参数均随相对临界水深的增大而减小,随溢洪道坡度的增大而增大。通过对台阶式溢洪道相对水力参数沿程线性规律的定量分析,并结合光滑溢洪道成熟的水力计算理论,可为台阶式溢洪道复杂水力特性计算提供新方法。     

高水头泄水建筑物泄洪消能设计思路探讨

探讨了高水头泄水建筑物集中消能和分散消能两种消能方式的特点,通过工程实例,重点介绍了分散消能方式。本文认为,分散消能方式可减轻消力池或下游水垫塘的消能负担;在流道内设台阶消能工能有效降低流速,减小水流冲刷破坏作用,台阶产生紊动均匀流,水深、流速不变,理论上可应用于水头200m3、00m量级以上的溢洪道设计。设法在流道内提高消能率,可收到事半功倍的效果。     

台阶式溢洪道消能特性的研究

结合斯木塔斯水电站台阶式溢洪道水力学模型试验结果,引入了相对消能率和单宽消能功率,总结了台阶高度、单宽流量与消能率、相对消能率和单宽消能功率的变化规律,重点研究相对消能率的变化规律。研究表明,流量增加时台阶溢洪道的相对消能率和单宽消能功率逐渐增大,表明台阶所起到的消能功效增强了。     

曲线型阶梯溢流坝坝面掺气发生点位置的确定

 曲线型阶梯溢流坝坝面形成掺气水流，是阶梯溢流坝具有较高消能率的重要原因之一，故掺气初生点位置的确定，对阶梯尺寸的选择有重要的影响。根据在大型钢架玻璃水槽中，对4种不同阶梯尺寸的曲线型阶梯溢流坝系统试验结果，分析了坝面掺气的机理，给出了确定坝面掺气初生点位置的计算公式及曲线。