跌坎型底流消能工研究综述

近年来,随着人们环境保护意识的不断增强,许多大型水电工程的泄洪消能倾向于采用泄洪雾化较低的底流消能方案。然而,经济和技术两方面的因素制约了底流消能在高水头、大流量水电站建设中的应用。针对底流消能应用于高水头、大流量泄洪工程时存在的问题,在总结已有研究成果的基础上,结合国内向家坝、官地和亭子口以及国外某些高坝工程泄洪消能实践,对跌坎底流消能工的研究进展进行了综合分析。可为类似工程的体型优化设计提供参考。     

跌坎型底流消能试验研究

为了减小高坝泄洪雾化的影响,对比传统底流消能工,进行了水工模型试验。通过试验,对跌坎型底流消能工的水流流态、临底流速以及脉动压力分布进行了研究分析,结果表明：跌坎型底流消能工可大大降低临底流速,减小消力池底板上的脉动压强,消能效果较好;同时还可抬高消力池底板高程,缩短消力池长度,节省较多的工程量,经济效益明显。     

宽尾墩-跌坎型底流联合消能工水力特性试验研究

通过水工模型试验着重分析比较了宽尾墩-跌坎联合消能工与跌坎以及常规消能工消力池内的水流流态、临底流速以及脉动压力等,并根据试验结果拟合分析了该联合消能工的强迫水跃长度公式。试验结果表明,该种新型的消能方式改善了跌坎消力池内的水流流态,降低了消力池内的临底流速和脉动压力,缩短了消力池的长度,减轻了下游河道的冲刷,并且能很好地利用宽尾墩良好的消能率,克服宽尾墩挑射水流对消力池底板的冲击问题,为类似工程提供了参考,同时也丰富了泄洪消能工的型式。     

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。     

跌坎型底流消力池水力特性数值模拟研究

采用数值模拟方法,以某实际工程为例,对跌坎型底流消力池水力特性进行了分析研究。研究结果表明,跌坎型消力池内水面平稳,波动较小;下泄主流入池后迅速下潜,坎下形成稳定横轴旋涡,上方形成巨大旋滚;跌坎型消力池底板临底流速分布均匀,变化梯度较小;除跌坎附近外,消力池底板时均压强分布均匀,压强梯度较小。     

跌坎式底流消能工的消能机理与水力计算

应用平面紊动射流理论,分析淹没射流在跌坎式底流消能工消力池中的运动规律以及跌坎式底流消能工降低临底流速的机理,得出射流扩散中心线上最大流速计算式.通过建立消力池内水流运动的动量方程,推导出跌坎式底流消能工的水力计算公式,通过试验验证,结果表明,公式是合理的,为跌坎式底流消能工的设计提供了依据.     

入池角度对跌坎型底流消能工水力特性影响的数值模拟

跌坎型底流消能工是在常规底流消能工基础上发展起来的一种新型消能工.就入池角度对跌坎型底流消能工水力特性的影响进行数值模拟,并将模拟结果与试验数据对比分析.二者基本吻合.表明数值模拟方法有效可行.同时,研究发现入池角度对跌坎型底流消能工水力特性影响较大,选择合适的入池角度以提高消能效率是确定该型消能工体形的关键之一.     

跌坎型底流消力池的水力特性与优化研究

本文以向家坝高水头大单宽流量水电站为例,对旨在降低消力池临底水力学指标的跌坎型底流消力池进行了系列水工模型试验,研究了不同跌坎高度的消力池水力学特性。研究成果表明,连续跌坎的采用有利于降低消力池临底流速,其应用效果取决于跌坎高度,但跌坎的存在也改变了消力池内的水流流态,对底板脉动荷载与消力池的消能效率有较大影响。对有溢流表孔与中孔的泄水建筑物采用适度收缩泄水孔出口的布置方式,可以起到稳定消力池水流流态、增进消能效率的作用,同时有利于减轻泄洪雾化。     

跌坎型底流消能工跌坎深度在工程优化设计中的应用

以某工程导流泄洪隧洞底流消能工为试验研究对象,原方案试验中,在闸门半开工况下,下泄水流出现脱离泄槽底板现象,不利于下泄水流的消能,经研究,改变压坡段底板坡度,同时将泄槽的两个坡段改成一个坡段;原方案底流消能工消力池内均发生远驱式水跃,消能效果差,通过研究采用以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度计算公式,确定消力池底板高程。经两次优化试验后,消除了闸后水流脱离泄槽底板的现象,下泄水流流态稳定,消力池内形成稳定的淹没水跃消能,出池水流与下游水流衔接较好,消力池内临底流速和时均动水压强均明显降低,消能效果好。     

跌坎型底流消能工的跌坎最小深度研究

跌坎型底流消能工消力池内的水力特性受到跌坎深度的影响。应用平面紊动射流理论,以消力池内允许的最大时均动水压强为控制目标,对于跌坎最小深度的确定方法进行了初步分析,建立了计算跌坎最小深度值的理论公式。通过水力学试验方法,得到消力池底板时均动水压强与跌坎最小深度之间的关系,同时与跌坎最小深度试验值进行了比对,对本文建立的理论公式进行了验证。     

Theoretical and numerical study of hydraulic characteristics of orifice energy dissipator

Different factors affecting the efficiency of the orifice energy dissipator were investigated based on a series of theoretical analyses and numerical simulations.The main factors investigated by dimension analysis were identified,including the Reynolds number(Re),the ratio of the orifice diameter to the inner diameter of the pipe(d/D),and the ratio of distances between orifices to the inner diameter of the pipe(L/D).Then,numerical simulations were conducted with a k-ε two-equation turbulence model.The calculation results show the following:Hydraulic characteristics change dramatically as flow passes through the orifice,with abruptly increasing velocity and turbulent energy,and decreasing pressure.The turbulent energy appears to be low in the middle and high near the pipe wall.For the energy dissipation setup with only one orifice,when Re is smaller than 105,the orifice energy dissipation coefficient K increases rapidly with the increase of Re.When Re is larger than 105,K gradually stabilizes.As d/D increases,K and the length of the recirculation region L1 show similar variation patterns,which inversely vary with d/D.The function curves can be approximated as straight lines.For the energy dissipation model with two orifices,because of different incoming flows at different orifices,the energy dissipation coefficient of the second orifice(K2)is smaller than that of the first.If L/D is less than 5,the K value of the L/D model,depending on the variation of K2,increases with the spacing between two orifices L,and an orifice cannot fulfill its energy dissipation function.If L/D is greater than 5,K2 tends to be steady; thus,the K value of the L/D model gradually stabilizes.Then,the flow fully develops,and L has almost no impact on the value of K.     

窄缝消能工水力特性对比分析研究

以某大型水电站为例,基于RNG κ-ε和VOF相结合的数值模拟方法,对不同方案的窄缝消能工下游水垫塘内流态进行了对比分析研究,并与试验结果进行了对比,吻合较好。研究结果指出:(1)体型Ⅰ(3股纵向水舌消能方案)和体型Ⅱ(2股横向水舌+1股纵向水舌消能方案)条件下水垫塘内流态具有一定差异,但对水垫塘底板的冲刷效果基本一致;(2)两种体型条件下底板冲刷均由2~#表孔泄洪导致,而1~#和3~#表孔泄洪主流受到两侧回流及水体顶托作用下潜深度较小;(3)水垫塘首部基本为静压区,水垫塘桩号0+280 m下游底板压力较大,为主流冲刷区,2~#表孔下游为冲刷重点防护区域,而1~#和3~#表孔泄流方式对水垫塘底板冲刷较小。研究结果可为窄缝消能工的设计方案对比提供借鉴。     

窄缝式消能工的水力特性及其体型研究

研究窄缝坎挑流的水流特性、消能要求及其体型参数的选择 .窄缝使水舌出流挑角增大 ,水舌纵向拉开 ,形成水流变形耗能 ,且加剧了水流紊动、水舌破碎而掺气的耗能 ,使消能效果增加 ,冲刷减少 .提供了不同收缩比与水舌出流挑角变化关系的试验成果及水舌纵向拉开值的估算公式 .     

跌坎式底流消能工坎后横轴漩涡水力特性研究

通过水力学试验方法,对跌坎式底流消能工坎后横轴漩涡的水力特性进行了初步研究.详细分析了横轴漩涡的形式以及其运动区域的变化,并对漩涡与底板和跌坎面切点处流速的变化、漩涡区相对于消力池整体压力的变化进行了初步的分析.     

格栅与阶梯式溢流面联合消能工的试验研究

本文以六顶山水库溢洪道为研究对象，采用阶梯式溢流面与格栅相结合的消能工。试验结果表明，这一新型消能工具有良好的水力特性和消能效果。     

弯段溢洪道导流墩联合糙条消能工水力特性试验研究

由于弯道离心力与边墙的作用,导致溢洪道内产生水面超高、横向冲击波等问题。为了充分体现加设导流墩糙条后对溢洪道内水力特性影响,通过对曲率半径与底宽比值为2. 2的60°弯段溢洪道试验研究,得到了不同试验方案下溢洪道各典型横断面的水深与水流动力轴线分布规律。结果表明:导流墩布设位置和个数均可以一定程度地改善溢洪道内水面结构形态,单一形式导流墩对弯道内水面结构改善效果不如导流墩和糙条联合布置形式; 5组试验方案最大水面差及最大水深在1/5～2/5弯道横断面和4/5弯道横断面相邻上下游位置发生频率较大,且导流墩糙条联合方案的水流动力轴线更趋向弯道中轴线;相比同类消能工,导流墩糙条联合形式布置在弯道内更加节约工程造价,且施工较方便,可为实际工程设计提供理论参考依据。     

高水头旋流阻塞复合内消能工水力特性研究

旋流阻塞复合内消能工是适用于高坝泄洪消能的一种新型消能工,为了分析其在超高作用水头下的泄洪消能适用情况,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,对200 m作用水头条件下该消能工的水力特性进行了研究。结果表明：泄流量为1 547 m³/s,略大于设计值,满足泄流要求;洞内形成了稳定的空腔旋流,旋流洞段空腔直径约6~7 m,旋流角约60°,壁面压强约110×9.8 kPa,最大点流速约45 m/s;起旋器与旋流洞段为0.050~0.274 Hz的低频脉动,且水流空化数均大于1.2,运行安全;阻塞扩散段末端最小瞬时负压为-3.81×9.8 kPa,且水流空化数较小,但水流掺气率较高,有利于减免发生空蚀;阻塞扩散段末脉动优势频率为46.99 Hz;总消能率达82.1%,消能率高。研究成果可为该复合消能工在高水头下的泄洪消能应用提供参考。     

悬栅消能工水力特性研究

对新型悬栅消能工流场的测试，揭示了悬栅流场的水流流态、流速分布、水面线形态和压力分布等水力特性。测试分析表明，随着过水流量、悬栅栅条悬置高度、悬栅栅条间距及悬栅栅条断面形状的改变，其水力特性也随之发生变化，并直接影响着悬栅的消能效果。运行实践证明，悬栅消能工消能效果好，造价低。     

解决“尾水不足，池深受限”底流消能难点的池身结构初探

简述柬埔寨王国斯登沃代一级水电站溢流表孔在下游尾水严重偏浅,受地质构造限制,不能降低消力池底板高程条件下,寻找到可节省底流水跃消能的结构体型。