非对称平行水跃水力特性研究

通过两孔平底泄洪闸物理模型试验,对比研究了非对称平行水跃和传统水跃的水跃特性,揭示了非对称平行水跃的消能机理,探究了其能量耗散、共轭水深比、水跃旋滚长度与闸门开度比之间的关系。结果表明,非对称平行水跃中水流横向扩散增大了平行射流面积,除形成大幅度横轴旋滚外,还激起局部立轴旋滚,增强了相邻水股剪切紊动,加剧了能量耗散;相较于传统水跃,非对称平行水跃能显著降低跃后水深及缩短水跃长度;结合试验数据提出共轭水深比、水跃旋滚长度计算经验公式,经验公式拟合效果较好,精度较高,可为同类工程设计提供参考依据。     

折坡扩散消力池水跃共轭水深计算方法及水跃长度、消能率分析

为了解折坡扩散消力池的水跃特性及相关参数、判别其消能效果,通过模型试验的方法对折坡扩散消力池水跃进行了研究,提出了共轭水深计算公式,分析了水跃长度、共轭水深比、消能率等相关水力参数及其变化规律。结果表明,在试验条件下,公式计算结果与实测值相比误差较小,精度较高;水跃长度与共轭水深比、佛劳德数均遵循正比例变化规律;水跃消能率与佛劳德数呈正比。     

梯形明渠水跃共轭水深的精确解

给出梯形明渠水跃共轭水深的显式精确计算公式。根据梯形明渠的水跃方程和一元四次方程的求解方法,研究了梯形明渠水跃共轭水深的精确解法。提出了梯形明渠水跃共轭水深的显式精确计算公式、计算步骤,并与其他迭代公式进行比较。给出的梯形明渠水跃共轭水深的计算方法为显式精确解,比试算法、查图法和迭代法简单、方便、精度高。     

低弗劳德数趾墩悬栅联合消能工数值模拟

针对低弗劳德数水流在消力池内极易形成弱水跃且水面大幅波动的问题,在低弗劳德数情况下,利用RNGκ-ε紊流模型,分别对趾墩悬栅联合消能工与单一悬栅消能工所处流场进行数值模拟,系统分析了水深沿程变化及流速分布规律,得到联合消能结构作用下消力池内部水流流态及过栅绕流涡旋分布。结果表明,联合消能工能增大回流区漩涡尺度,加剧水流卷吸掺混强度,大幅提高掺气浓度,迫使跃前断面向下游推移,相对推移比接近26%,淹没度下降约10%左右,从而显著降低陡坡水流脉动;悬栅附近涡群具有更强的漩涡运动,主、回流间紊动混掺加剧,增强了下泄水流能量耗散。研究结果为同类工程中解决消能防冲问题提供了新思路和参考依据。     

低弗劳德数水跃的水跃长度计算方法

低弗劳德数水跃具有消能率低、稳定差等特点,其水跃长度除了需考虑首部旋滚区外,还需要考虑后部波动区长度。基于12个适用于低弗劳德数水跃长度的计算公式,利用Hughes的模型试验结果对比各公式的差异性,分析获得产生差异的主要原因在于是否考虑跃后波动区长度和波动区长度判断标准。然后以Fr1为2.5～4.5作为控制边界,进行了7组水槽试验并提出波动区长度的判定方法。研究表明,朱荣林公式与水槽试验结果符合较好,可用于计算水跃长度;得出了考虑波动区后水跃长度与旋滚区长度之间的函数关系,为实际工程设计提供了指导。     

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。     

空间淹没水跃流态特征数值计算

空间水跃可使局部范围内水流紊动剧烈,提高水流稳定性和消能效率,消能效果较好。为探讨空间水跃的流态特性,基于RNGκ-ε紊流模型和流体体积函数(VOF)自由表面处理方法,建立了三维紊流数学模型,数值模拟了突扩比为0.833、0.667、0.500、0.333等4种空间水跃情况,讨论了不同突扩比下空间淹没水跃的流态及漩涡演变规律。结果表明,空间水跃下游流态存在左右摆动、主流轴线聚集等现象,当突扩比小于一定值后,在水跃发展过程中将产生游离的立轴漩涡。研究成果为空间水跃在水利工程中的应用提供了理论依据和参考。     

海潮影响下低水头水闸消能结构优化研究

低水头水闸下游消能属于低弗劳德数水跃消能,容易发生波状水跃、消能不充分等消能问题,尤其在海潮影响下,水位变幅大,消能问题更加突出。为此,结合晋江滨海新区填海造地工程~#1水闸模型试验,针对原设计一级消力池容易形成波状水跃和消能率低的问题,提出了二级消力池的消能结构,并对消力池池长、池深、尾坎高程和辅助消能措施进行了综合优化。结果表明,优化后的二级消力池消能结构,改善了水流流态,提高了消能率,研究结果可为类似工程借鉴参考。     

大型高落差水闸水力特性模型试验研究

为了准确研究和确认大型高落差水闸的泄流能力和水跃等水力特性,以辽宁省开原市清河闸为例,制作了高落差水闸的水工模型并进行了试验,比较了高落差水闸的上、下游水位流量关系的理论和试验结果,观测了水闸消力池内水跃发生位置及跃前水深、跃后水深、水跃长度等。结果表明,水闸泄流能力模型试验结果与理论计算结果吻合较好,泄流能力能够满足设计要求;各特征流量下,水跃长度、跃后水深与设计值基本相符,消能效率达30%,消能后弗劳德数降为0.32,说明跌坎式消能工的消能效果较好。     

潜没式三角翼体对闸后突扩水跃的影响

针对泄水闸少数孔开启时,下游渠道形成主流受压缩的三元突扩水跃问题,建立1∶100的水工试验模型,并采用潜没式三角翼体作为辅助消能工控导水流,分析多种工况条件下跃前断面的水流流态。试验结果表明,潜没式三角翼体通过减小主流的单宽流量,重新调整了跃前断面动量与水位的分布,提高了跃前断面水流的整体稳定性,并缩短了泄水口至跃首断面间急流段的长度,改善了下游水流的衔接消能,效果良好。研究成果可为实际工程应用提供技术支持。     

坎控底射混合流在新集水工模型中的试验研究

结合新集水利枢纽模型试验,针对其泄洪时水流佛氏数低且发生二次水跃的特点,在消力池尾部设置一定高度的跌坎后,水流过坎形成跌水与二次水跃的联合流态,即坎控底射混合流。通过对跌坎高度（共轭比）的试验比较研究了坎控底混流的运动规律、消能特性及其控制因素。试验结果表明,一次水跃后产生的坎控底混流能有效地改善下游流态及河床流速分布、提高消能效率,且在上下游水位差很小且佛氏数很低的条件下,共轭比对底射混合流的消能率大小起控制作用。     

角木塘水电站消能措施优化研究

以角木塘水电站的泄水建筑物（溢流堰和消力池）为研究对象,对原设计尺寸下溢流堰发生严重淹没水跃、消力池消能效率低下的问题,采用水工模型试验观测流态、测量流速、水深等特征值,计算水流收缩断面处的佛氏数和消力池的消能效率。据此提出修改泄水建筑物体型、调整消力池长度和增设辅助消能工等优化措施,从而提高了泄水建筑物的消能效率     

当卡水电站消力池的优化试验研究

当卡水电站属于中低水头水电站,其泄水建筑物具有水头低、佛氏数低等特点,通过模型试验发现原设计方案存在消力池体型欠佳、池内水流流态紊乱、消能效果差及坎后二次跌落水流大等问题,为此对消力池体型进行了优化设计,通过不同方案的优化比选,提出了将溢流堰和泄洪闸后消力池隔开、降低泄水闸底板高程、加宽泄水闸消力池宽度、减少消力池长度和适当提高尾坎高度等措施,有效地解决了原设计方案的不足,且降低了工程造价。     

渐扩式折坡消力池的水力特性试验研究

以出山店水库枢纽工程南灌溉洞为例,针对原设计方案折坡等宽式消力池中存在水跃不稳定、流速分布不均及消能率低的问题,提出了完全渐扩式折坡消力池的修改方案,并通过物理模型试验研究了两种不同消力池方案的水力特性。结果表明,修改方案能增大消力池进口的弗劳德数,可明显改善原方案中流态流速分布不均、水跃不稳定问题,且能较大地提高消能率。     

复式断面共轭水深范围的判定

复式断面因共轭水深范围的不同会有多个水跃方程,为选用正确的水跃方程一般均需进行试算,这个过程异常繁琐。在深入分析复式断面跃前水深与跃后水深二者之间共轭关系的基础上,提出一种直接判定共轭水深取值范围的可靠方法,从而不必反复试算即可直接选用正确的水跃方程。尤其是当大量不同水力参数条件下的共轭水深需要计算时,更可大幅减少试算工作量。     

消力池渐变段体型对消能效果的影响

针对黄金坪泄洪洞消力池受地形地质条件的限制,消力池长度明显不足、水跃跃首流态较差、消能效果不理想的问题,通过水力学模型试验,调整优化了泄洪洞出口跌坎高度、挑角及坡度体型,并观测了消力池水流流态、水面线、临底流速、底板压强、出口流态和流速等水力特性指标。结果表明,与原设计方案相比,调整体型后的消力池流态得到了很好地控制、消能效果增强,消力池出池水面跌落和流速均有所减小,各项水力学参数指标满足设计要求,通过体型优化实现了在原有消力池长度条件下改善流态和增强消能的目的。     

阳江抽水蓄能电站上库溢流坝消能试验研究

针对阳江抽水蓄能电站上库溢流坝具有高水头、坝址河床狭窄、坡度陡峭等特点,通过水力模型试验研究优化了溢流坝及其消能工体型,解决了溢流坝的消能问题。试验表明:①溢流坝采用“坝面削角阶梯 底流消力池”的联合消能方案后,增大了溢流坝面水流的消能率,解决了溢流坝泄流与下游消力池衔接的问题;②消力池内设置T型消力墩,缩短了水跃长度和池长;③消力池下游采用阶梯状的二道坝与下游河床连接,减轻了泄流对下游河床的冲刷。