新型射流消能的流态演变与极限临底流速研究

本文列举了多个水电站采用挑流及底流消能的应用情况及泄洪雾化特点。针对向家坝水电站所采用的多股多层水平淹没射流的消能型式,分析了影响其效率效果的17个物理参数。表孔单独泄洪条件下,消力池内分别呈自由射流、半潜射流、淹没射流及回复底流的流态演变;中孔单独泄洪条件下,随下游水位的变化,其出现偏流,并随下游水位的升高而消失,同时空间扩散比对其流态演变影响明显;联合泄洪,下游水位对其流态演变影响明显,同时表孔适当收缩对流态改变影响明显。研究表明：表孔单独泄洪,影响其最大临底流速的参数为出口跌坎高程和水流弗氏数;中孔单独泄洪,影响最大临底流速的参数主要为出口跌坎高程和跌坎底坡比;联合泄洪,影响其最大临底流速的为表孔收缩比、表孔侧收缩比、表中孔出口高程差、表中孔出口水流弗氏数及中孔跌坎底坡比。本文展望了高水头大流量低雾化泄洪消能的研究前景。     

竖井旋流式泄洪洞水力特性试验研究

围绕着流态、泄流能力、压力分布以及各段消能率等水力特性对具有抛物线式引水道的竖井旋流式泄洪洞进行了试验研究,结果表明:流态、泄流能力、压力分布均能满足要求,且总消能率达到90%,具备了作为导流洞改建体型的条件.     

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.     

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.     

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%.     

基于体型参数组合的Y型宽尾墩水力特性

水流经过宽尾墩后由于收缩挤射,产生三面掺气的大曲率水气交界面,流态异常复杂.利用数值模拟方法对Y型宽尾墩体型参数变化时的水力特性进行了分析研究.采用逐步收敛法比较分析12种不同体型宽尾墩泄流时的流态、水面线与流速分布、宽尾墩始折点处的佛汝德数及消能率等水力特性参数的变化规律.研究结果表明:随着宽尾墩收缩比增大,墩后水舌交汇点下部空腔增大,底流速整体上增大,佛汝德数增大,消能率略有降低;随着宽尾墩墩长增加,出闸水流的跌流趋势更加明显,流速增长加快,佛汝德数减小,消能率略有降低;随着上顶点与始折点高差增大,闸室内水面线升高且壅水效果更加明显,闸室内水流流速加大而消力池段流速反而减小,佛汝德数增大,消能率略有增加;随着始折点与上缩点高差增大,出闸水流纵向拉伸幅度降低,跌流趋势更加明显,佛汝德数增大,整体流速略微增大,消能率减小.     

基于Flow-3D软件的消能池三维水流数值模拟

基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε三维水流数学模型、VOF方法和单相流体模拟消能池水流流动,应用GMRES方法求解离散方程.根据设计提出的闸下三级消能池方案,不仅验证了水闸的泄流能力,还计算了消能工况水流条件下消能池的水流情况,并且结合水工模型试验具体分析了消能池中的水流流态、流速分布、水面线和消能率等水力特性.结果显示计算的泄流能力、水流流态与模型试验的非常接近,流速和水面线的吻合度也很高.计算结果还提供了Fr值、紊动能分布图和流速矢量图,比较全面地反映了三级消能池的水流和消能情况,同时也表明该软件模型具有可行性与实用性.     

连续直墙式和斜墙式消力坎对比试验研究

如何有效地解决下泄水流的消能防冲问题是当今水利界较为关注的问题之一.通过对在一定水流条件下直墙式和斜墙式两种坎的消能情况所做的细致的单项试验研究,对比不同形式的消力坎的消能原理和消能效果做了一些初步探讨,证明了不同角度的斜墙式消力坎,坎的倾角越大,消能率越大,同时对下游的冲刷也要比直墙式消力坎严重.采用直墙式消力坎的消力池在下游水深较小时即能产生较强水跃,而采用斜墙式消力坎的消力池只有在下游达到跃后水深后才能产生稳定水跃.     

“X”型宽尾墩在底流消能中的应用

针对低Fr底流消力池消能率低的问题,提出进口“X”型宽尾墩+底流消能的消能模式,即在消力池进口设置“X”型宽尾墩,以达到分散水流、增加消能率的目的。通过试验,观测该型消能方式的水流形态、水深沿程分布、时均及脉动压强等水力学参数。结果表明：水流形成了底流+纵向拉伸水流+挑射水流的入池方式,水流分散入池,充分利用了消能水体;水跃长度为跃后水深与跃前水深差的6.8~13.3倍;消力池底板时均压强变化平稳,脉动压强均方根为进口流速水体的0.03~0.18倍;与传统底流消力池相比,消能率提高了2~3倍。对于低Fr底流消能,进口“X”型宽尾墩+底流消能是一种值得推荐的消能方式。     

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.     

黄河天桥水电站运行方式探讨

为了解决天桥水电站双层泄洪闸下游的面流消能衔接及流态转化问题,利用除险加固新增泄水建筑物提高了枢纽的泄洪能力.在一般洪水期采用双层闸底孔和新增泄水建筑物联合泄洪的运行方式,改善了大泄量时下游的流态和消能,扩大了下游面流的适用范围,并通过水工模型试验进行了验证,为工程泄洪调度和安全运行提供了重要的依据.但是护坦加长引起的面流界限水深的上移,在运行管理中应注意.     

淹没型旋流竖井泄洪洞流态过渡的数值模拟研究

旋流竖井泄洪洞的工程技术难题之一是：高尾水位淹没出流时的泄洪洞排气难, 出口易发生气爆。对此,本文采用数值模拟的方法,结合某泄洪洞工程开展了相关的研究,获得了各个流段不同的水流流态、流速、压强以及消能率的沿程分布和特性,计算结果与实验结果符合良好。分析了水流由强紊动掺气状态过渡到有压流动状态的转换机制及其对结构的影响,研究表明,泄洪洞内水平段可分为掺混消能区、气泡逸出区、气体排出区和平稳流动区,其中掺混消能区是消杀能量的主要区域,该新型旋流竖井泄洪洞在淹没条件下,气体能够顺利排出,流态转换平顺,压强分布平稳,可为类似工程参考。     

浅水垫消力池水力特性试验

为解决常规消力池临底流速大,流态不稳等问题,以云南省楚雄州青山嘴水库工程为例,通过水工模型试验,提出浅水垫消力池的体型;揭示了浅水垫消力池的水流流态、流速分布、水面线形态和压力分布等水力特性,并与常规消力池与下挖式消力池进行了对比。结果表明浅水垫消力池有利于降低消力池临底流速,浅水垫的存在改变了消力池内的水流流态,改善了池内水力学特性,消能效果显著。     

龙开口水电站的泄洪消能防冲试验

龙开口水电站泄洪流量大且坝址处主河床狭窄,泄水建筑物布置在主河床,电站置于右岸紧靠泄水建筑物．对于此类工程,消能防冲是主要问题．以水工模型试验为手段,通过多个试验方案,研究了溢流坝和泄洪中孔的消能效果、挑射水流消能后与下游河道水流衔接问题、下游河床及两岸的冲刷情况以及电站尾水出口水面波动情况．经对比分析并综合考虑消能防冲与发电相互影响因素,提出最优枢纽布置方案和泄水建筑物结构型式,另外也为岸坡防护提供了一定的依据．研究成果对大流量窄河床条件下的重力坝泄洪消能工程设计和同类型模型试验具有一定的借鉴意义．     

龙开口水电站的泄洪消能防冲试验

龙开口水电站泄洪流量大且坝址处主河床狭窄,泄水建筑物布置在主河床,电站置于右岸紧靠泄水建筑物.对于此类工程,消能防冲是主要问题.以水工模型试验为手段,通过多个试验方案,研究了溢流坝和泄洪中孔的消能效果、挑射水流消能后与下游河道水流衔接问题、下游河床及两岸的冲刷情况以及电站尾水出口水面波动情况.经对比分析并综合考虑消能防冲与发电相互影响因素,提出最优枢纽布置方案和泄水建筑物结构型式,另外也为岸坡防护提供了一定的依据.研究成果对大流量窄河床条件下的重力坝泄洪消能工程设计和同类型模型试验具有一定的借鉴意义.     

刚性淹没双层植被明渠水流紊流特性研究

文章采用标准 紊流模型,结合雷诺平均Navier-Stokes方程,对刚性淹没双层植被明渠水流特性进行了研究。计算所得的流速值与实测值吻合良好,表明计算方法可行。进而根据空间及时间的双平均理论,给出了双平均条件下的明渠流速,雷诺应力及紊动能分布,并对紊动能平衡方程中的各项进行了分析。结果可以看出,刚性双层淹没植被作用下,垂向流速分布曲线由三个拐点将其划分为四个区域;雷诺应力及紊动能分布在植被顶端明显增强,高植被顶端各项值均大于低植被顶端相应值;紊动能平衡方程中的紊动耗散项及压力耗散项在紊动能平衡方程中起着主导作用;植被顶端区域产生的涡,通过喷射和扫掠作用使其附近水体发生质量及动量交换。     

孔板泄洪洞水流三维数值模拟研究

采用k-ε紊流模型模拟小浪底水电站9#孔板泄洪洞三维水流运动,利用试验资料对其计算结果进行了验证,数值模拟结果与原型试验数据吻合性良好.通过对数值模拟结果的分析,获得了流速、压力和紊动能等水力要素的分布规律,发现三者均在孔板附近剧烈变化,详细地反映出孔板泄洪洞的消能特性.数值模拟结果表明用k-ε紊流模型来研究孔板消能的水力特性是可行的,可以与物理模型并用,需更为深入研究内部机理和消能特点,为孔板泄洪洞的应用提供可靠的参考依据.     

通口水电站冲沙底孔廊道压力和消能问题的试验

通口水电站是以发电为主,采用混合开发方式的综合性水利枢纽工程,坝高73.5 m。本文结合水工模型试验成果,论述了通口电站冲沙底孔的过流能力和流量系数,研究了冲沙底孔体型布置对廊道压力、消能防冲及电站尾水等的影响,提出了改善冲沙底孔廊道压力和改善消能防冲条件的工程措施,该研究成果已被设计采用。     

表中孔水舌空中碰撞消能试验研究

通过模型试验，研究了碰撞角和流量比与碰撞消能效果的关系，提出射流碰撞的主要作用在于分散水流，在确定流量比是不必拘泥于流量比等于1的传统思路，采用小股射流碰撞大股主射流，同样能起到分散水流的作用，改善下泄水流进入水垫塘时的入流条件，从而提高碰撞消能效果，试验表明，在碰撞角较大时，中表孔流量经达到0．2时即可使水舌充分散裂。