旋流式竖井泄洪洞消力井井深优化研究

旋流式竖井泄洪洞是导流洞改建为泄洪洞的一种有效方式，采用消力井衔接竖井与导流洞，具有体形简单、安全可靠等特点，但其体形对导流洞的水流流态有直接影响，最优化研究的重点之一。来此，在《小湾水电站大型导流洞改建泄洪洞研究》的基础上，针对小湾水电站水头高、流量大的泄洪特点，通过试验研究，对比分析了不同井深方案消力井底板冲击压强的分布特性和井深对消能率的影响，提出消力井的合理井深为竖井直径的0．7－1倍。     

竖井旋流泄洪洞消力井深度对竖井消能率影响的数值模拟研究

在竖井旋流泄洪洞中,下挖消力井深度对竖井消能率有较大影响,但在工程中关于消力井合理设计深度的参考资料比较少。运用数值模拟方法,对竖井旋流泄洪洞不同竖井高度和消力井深度竖井消能率进行研究,可为消力井的合理应用提供依据。研究结果表明:应用消力井会使竖井的消能率增加,当竖井高度为50 m~110 m时,随消力井深度增大,竖井消能率变化趋势为先增大后减小;当竖井高度大于120 m时,消力井对竖井消能率影响较小,竖井消能率只有较小增加。更多还原     

出口底板高程对井式消能水力特性的影响研究

在山区峡谷水库泄水建筑物中,斜向进水消力井能够很好适应地形地质条件的变化。通过水工模型试验,研究消力井出口尾水底板高程变化对井式消能水流流态、尾水流态以及消力井底板冲击压强、脉动压强方差等水力特性的影响。成果表明:尾水渠底板高程和泄槽出口末端齐平时,消力井消能率最大,尾水渠水流流态较为理想;尾水渠底板高程降低0.05 m时,消能率减小,尾水紊动有所加大;尾水渠底板高程降低0.10 m时,消力井消能率下降明显,出口尾水流态紊乱持续增强。     

卡尔达拉水电站消力池与消力墩体形试验研究

针对卡尔达拉水电站泄水孔在运行中由于消力池与消力墩体型设计不合理而出现的消力池内流态不良问题,对消力池与消力墩体型进行了不同方案的试验研究。通过在水工模型试验中改变折坡消力池坡度及消力墩的位置,对各试验组合结果进行对比分析,提出合理的折坡消力池体形及消力墩布置方案;并且从水流流态、流速、水跃特性、消能率等方面综合考虑,分析消力墩位置对折坡消力池消能的影响。     

高坝施工导流洞改为永久竖井泄洪洞水力学研究

本文通过模型试验研究涡室－竖井内消能系统，用内设阻涡坎的涡室连接泄洪洞和竖井，带盲洞的消力并连接竖井和导流洞。探讨了涡室－竖井内消能系统中的流态、边壁时均压力、脉动压力、消能率、消力井尺寸与消能率之间的关系和消能机制等水力学问题。     

旋流式竖井底部消能区压力特性研究

旋流式竖井主要利用水流的螺旋运动和底部消能区消能,是一种较为新型的泄洪消能工,但在高水头、大流量条件下,旋流式竖井泄洪洞内水流流态复杂,底部消能区承受较大压力,对结构安全形成严峻考验。通过1/30模型试验与理论分析的方法研究在不同深度下底部消能区侧壁及底部的压力特性,并针对环状水跃位置不易确定的问题提出一种新的思路确定底板的冲击压力,给出底板最大冲击压力的计算公式。结果表明:旋流式竖井底部消能区侧壁压力与井深关系不大,随流量同步增减,则控制侧壁结构的因素是大流量时的压力;各体形下侧壁压力最大值均出现在竖井侧壁最低点,随着竖井深度加深,最大时均压力呈增加趋势;通过拟合的底板最大冲击压力公式,建议竖井深度与直径比大于1.2。     

基于消力井井深变化下的旋流式竖井溢洪道底板脉动压强试验研究

基于物理模型试验方法研究了不同消力井深度下的旋流式竖井溢洪道底板脉动压强幅值特性及频谱特性。研究结果表明,底板脉压强度与井深并非呈线性关系而是随井深的增加表现为先增加后减小的规律,底板脉压强度与能量耗散密切相关,在消力井深度为1.25 D的基础上继续加深并不能有效提高旋流式竖井的底板脉压强度,从而依靠增加消力井深度来提高竖井消能率是不合理的。脉动压强概率密度较标准正态分布偏左为正偏分布,偏态系数与井深的相关性较弱,峰态系数整体上呈现减小的趋势,但减小幅度随井深的增加有所减小。脉动压强优势频率随井深的增加其主频率带有所拓宽并逐渐向低频转移,脉动能量主要由低频大尺度涡旋决定,井径比ε=1.25时的脉动能量较ε=0.75时与ε=1.75时明显增多,能量耗散较快,建议消力井深度与直径比h/D在1.25左右。     

连续跌坎型底流消能工水力特性的影响因素研究

通过大量的试验,测量了消力池底板压强分布规律、池内流态和流速分布,着重分析了入池水流单位重量水体能量、入池角度和跌坎高度的变化对消力池底板冲击压力、临底流速、池内流态及消能率的影响。研究表明,连续跌坎型底流消能工的跌坎高度与入池角度之间存在一种最优组合,可既保证消力池中消能率高,又能满足临底流速和底板动水冲击压力小的要求。该研究成果可为工程设计提供一定的科学依据。     

某水库溢洪道方形消力竖井优化研究

某水库工程侧槽式溢洪道方形消力竖井水工模型试验表明,由于竖井断面尺寸和深度较小,宣泄校核洪水时部分水流直接冲击泄洪洞段进口底板,造成洞进口段流态恶劣。宣泄校核洪水时竖井段各测点的计算空化数介于0. 13～0. 82之间,井壁处个别位置的空化数略小于初生空化数,可能产生空蚀。设计洪水和校核洪水时消能竖井消能率约为53%。应用RNG k-ε模型并结合VOF方法通过系列数值模拟试验对消力井的设计方案进行修改优化,提出了增加消力井深度至8 m、方井宽度增加至8 m的方案,其余尺寸不变。数值模拟数据表明,消力井的尺寸满足设计和校核洪水的安全泄流要求,校核流量工况消能率达到65. 55%,消力井最大负压相对于原方案降低了约为50%,最小空化数由原方案的0. 13提高到了0. 38。     

高水头水电站 “三洞合一”布置的体型优化试验

针对某水电站坝址河道狭窄现状,采用放空洞、旋流竖井泄洪洞与导流洞"三洞合一"技术优化枢纽布置。通过模型试验,分析旋流竖井泄洪洞泄流能力及相关水力特性,评价了结构尺寸设计的合理性。提出在放空洞连接段采用曲线型阶梯消能工的措施,通过试验得到了优化体型。研究表明,采用曲线型阶梯消能工后,连接段流态平稳,水流掺气充分,并且消能效果显著,在单宽流量为54.3 m3/(s.m)时阶梯段的消能率达到了43%。在洞内连接段布置阶梯消能工可有效改善枢纽布置。     

竖井旋流泄洪洞涡室整流挑坎试验与数值模拟

已有竖井旋流的研究成果表明,涡室进口处水流的起旋对整个涡室流态的影响很大,如何使水流在进入涡室段时能稳定起旋,并贴壁形成稳定空腔,是决定整个竖井旋流消能效果的一个关键性因素。通过试验与数值模拟相结合的方法,研究了涡室进口处整流挑坎的体型对涡室流态的影响,提出了一种新的整流挑坎——楔形挑坎。试验表明,这种挑坎形式与传统圆弧挑坎相比能更好地引导涡室进口处水流的起旋,改善涡室内水流流态。对类似工程设计具有重要的参考价值。     

旋流喇叭形竖井泄洪洞水力学机理及应用

改变传统的防漩消涡观念,研究出一种带有潜水起旋墩的新型喇叭形竖井泄洪洞,在各种水头下均能产生稳定的空腔旋转流运动,用以消除溢流堰和竖井的负压,避免发生空蚀,同时提高泄洪洞的消能率。潜水起旋墩同喇叭形堰外缘的切线成小角度连接,其旋流运动机理是,当水流漫溢堰顶时,开始产生旋转流,而当水深超过起旋墩顶时自动扩大入流角度和加大泄量,在底层旋流的拖曳下作同步强力旋转流运动。所提出的设计理论和试验研究成果已应用到广东清远抽水蓄能电站的竖井泄洪洞设计中。     

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。     

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%。     

消能井内消能工直径优化试验

从消能井体型优化出发,对竖井溢洪道消能井直径发生系列变化时的井内水流特性进行系统的试验研究,分析消能井直径变化对消能井内各水力参数的影响。结果表明:D/D0=1.4时消能井内水垫深度接近最大,水垫消能效果较好;随着消能井直径的增加,底板上时均压强有所减小,轴线分布更趋均匀;D/D0>1.4后,随着消能井直径的增加,压强不均匀系数基本不再变化,底板上的时均压强分布稳定;D/D0>1.4以后,随着消能井直径的增加,脉动强度减小的程度减缓,消能率增加的趋势亦变缓。据此提出该竖井消能井内消能工的合理直径应为D=1.40D0。     

梯形凹角台阶式溢洪道水力特性

台阶式溢洪道中凹角水流的循环及能量交换是泄洪消能的关键因素之一,目前台阶式溢洪道的研究多集中在台阶的坡度、尺寸以及与宽尾墩等联合运用方面,鲜有对台阶凹角几何形状进行研究。通过水工模型试验和数值模拟计算,对传统三角形凹角台阶和新型梯形凹角台阶的流态、掺气浓度、压强、流速等水力特性进行研究,结果表明:梯形凹角台阶与三角形凹角台阶水流水力特性分布规律相同,但由于梯形凹角台阶改变了旋涡脱落的形状,漩涡脱落进入主流中,促进水流湍动,使得初始掺气点位置略微前移,增加主流区断面平均掺气浓度,提高虚拟底板处总压强波动强度,降低台阶沿程流速,有利于提高台阶抗空化空蚀能力和促进台阶消能。     

折板型竖井结构设计参数优化

折板型竖井是城市深隧排水系统中一种消能效果明显的水工结构,竖井的结构参数对其泄流量和消能率有重要影响。通过开展物理模型试验和基于Realizable k-ε湍流模型和VOF法的数值模拟,分析不同折板间距和折板倾角的竖井水流流型、最大泄流量、出口流速及消能率。研究结果表明:折板型竖井中基本水流流型有3种,分别为撞壁受限流、临界流和自由跌流;一定范围内增大折板倾角有利于水流流型从撞壁受限流向自由跌流转变,因此,在折板竖井设计中应使折板有适当的角度;竖井的最大泄流量随着折板间距和折板倾角的增大而增大,消能率随泄流量的增大而减小;从竖井的泄流能力和消能效果两方面考虑,当竖井直径为10 m时,折板间距4.85 m,折板倾角为9°～11°的竖井体型为最优。研究成果可为深隧排水系统的设计提供技术支撑。     

新型竖井泄洪洞自调流机理和特性研究

该文提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,在泄洪流态和消能防蚀方面与常规喇叭形竖井泄洪洞有较大不同。为明晰该新体型的调流机理和系统水力特性,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动进行了数值模拟研究,获得了该新体型进水口流态、旋流空腔发展过程、竖井内部流态、平洞自由水面、压力等主要水力要素的分布规律。结果表明:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量趋势上一致,量值上吻合较好。模拟结果也较好揭示了自调节潜水起旋墩的旋流、自调流机理以及泄洪洞的消能原理。     

新型旋流环形堰竖井泄洪洞数值模拟和特性分析

生态环境友好型的洞内旋流消能工是当前泄洪消能领域一个重要的研究热点和方向。为克服以螺旋型经典涡室或传统喇叭形堰构成的旋流竖井泄洪洞易出现的漩涡、气爆、振动、防空蚀设施复杂等难题,改变一般的防漩、消涡观念,提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,虽脱胎于常规喇叭形竖井泄洪洞,但在泄洪流态和消能防蚀方面又另辟蹊径。作为一种新型的旋流布置体型,已有研究缺乏系统性,其复杂的水流特性并不是十分明了。依托广东清远抽水蓄能电站泄洪洞工程,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动进行了三维数值模拟,并对部分水力参数的特性进行了解析计算,获得了该新体型旋流空腔流态、自由水面、合成流速、压力等水力要素的分布规律。结果显示:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量值吻合较好,模拟值与初步建立的新体型水力特性理论解析值较为接近,表明解析计算方法具有一定的实用价值。模拟计算结果为进一步明晰新型环形堰竖井泄洪洞各部分水流特性和揭示自调节潜水起旋墩的旋流运动机理提供依据。     

桃源河水库溢洪道体型优化试验研究

通过对桃源河水库工程进行水工模型试验,验证溢洪道布置方式的合理性和优化的可能性.溢洪道采用挑流消能方式进行泄洪.受坝址选择的影响,溢洪道位于河流弯道上,为了使得挑流水舌落入河道,初步考虑采用右边墙偏转4°的方案,试验结果表明,挑流水舌入水点偏向右岸河道,随着下泄流量不断增大,水舌入水点逐渐向右岸山坡偏移,在河道右侧形成...