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。     

阶梯式消能工在低水头溢流坝中的应用

结合凯勒塔阶梯式溢流坝资料,通过水工模型试验,对水流流态、掺气特征、坝面沿程压力分布以及阶梯消能率等,进行了系统的研究和分析,并讨论各种水力参数的主要影响因子及其变化规律,为阶梯消能工设计提供依据。     

不同掺气设施对一体化消能工负压及消能率的影响研究

为了研究阶梯溢流面前几级阶梯与前置掺气坎的不同布置,对宽尾墩+阶梯溢流面+消力池一体化消能工负压及消能率的影响,该文运用水汽两相VOF方法的三维RNGκ-ε模型,对无掺气坎的均匀阶梯、有掺气坎的均匀阶梯(原型方案)、无掺气坎的首级大台阶及有掺气坎的首级大台阶四种方案进行数值模拟,并采用原型方案的水工模型试验验证了模型计算结果的准确性。结果表明:无前置掺气坎的方案一及方案三的WES曲面及阶梯溢流面存在较大负压,无前置掺气坎条件下首级大台阶的设置能减小阶梯溢流面最大负压,但增大了WES曲面最大负压。其中方案一及方案三的WES曲面最大负压分别为-4.32 KPa和-5.03 KPa,阶梯溢流面最大负压分别为-11.1 KPa和-9.19 KPa。有前置掺气坎的方案二及方案四的WES曲面及阶梯溢流面下游不存在负压,最大负压出现在首级阶梯,分别为-9.52 KPa和-0.842 KPa。前置掺气坎与首级大台阶结合的方案四可有效提高消能率,显著减小溢流坝面负压分布范围及负压值。四种方案中,方案四消能率最大,为62.23%,比无前置掺气坎条件下均匀阶梯的方案一消能率58.52%,增大了6.34%。     

阶梯溢流坝自掺气水流的数值模拟

从两相流基本方程出发，建立了适用于自掺气水流的数学模型，用明渠自掺气水流进行验证。应用此数学模型模拟计算了阶梯溢流坝面水气两相流的流速场、初始掺气点及消能率等参数，得出了初始掺气点的位置随流量的增加而下移，消能率随流量的增加而减小的结论。     

X型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能的三维流场数值模拟

宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能是一种新型坝面泄流形式的消能工。由于宽尾墩和阶梯的共同作用，其水流表现为很强的三维特性，水气二相混掺剧烈，目前对其流场的三维数值模拟还未见报道，本文采用双方程紊流模型对X型宽尾墩-阶梯溢流坝联合消能的三维流场进行了全场数值模拟，给出了压力特性、流速分布、阶梯及宽尾墩墩后水气两相流的部分特性，计算结果与模型试验数据对比，两者吻合良好，计算发现，在第一级阶梯脱体处存在负压，随后在试验中得到了验证。研究结果表明，采用X型宽尾墩-阶梯溢流坝联合消能，阶梯坝面上能形成明显的纵、横向旋滚，提高了消能效果。     

台阶式溢流坝试验研究与消能率计算

由于台阶式溢流坝坝面台阶的存在,使下泄水流在台阶之间形成横轴旋滚,并与坝面主流发生强烈的掺混作用,使水流紊动加剧、掺气增强,消散了部分能量,大大减小了下泄水流的能量,改善了坝趾处的水力条件,使坝下游的消能设施得以简化.结合某水电站工程水工模型试验,对台阶溢流坝面的掺气起始位置、台阶坝面水面线、台阶坝面压力和台阶消能率进行了研究探讨.结果表明:影响台阶坝面消能率的主要因素为台阶坝高、台阶的突出高度、台阶坝的坡度和单宽流量.同时根据试验资料推导了消能率的计算公式,该公式可为相关设计提供参考.     

不同挑坎下首级台阶角度对阶梯溢流坝面掺气影响研究

前置掺气坎与首级阶梯对阶梯溢流坝的掺气消能有着重要的影响作用,该文以水工模型试验为依托,结合某水电站,确定模型几何比尺为Lr=60。通过对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的联合消能工过渡阶梯上首级台阶台面上挑5°、10°及15°和前置掺气坎角度取8°和10°,共六种组合方案分别进行了水工模型试验。并从空腔长度、掺气浓度、台阶负压、底板时均压力和消能率等各个方面,寻找能改善掺气特性的过渡台阶衔接体型。结果表明:随着前置掺气坎角度增大,首级台面角增加不超过10°时,阶梯溢流坝面上底空腔长度和掺气浓度逐渐增大,负压减小,可有效保护阶梯,防止空蚀破坏。且流速减小,压强增大,消能率也随之略有增长,更利于对下游的保护作用。故前置掺气坎为10°,首级台阶台面角为10°时即方案五为最优组合方案。     

台阶式溢流坝的消能设计与试验

由于台阶式溢流坝坝面台阶的存在,使下泄水流在台阶之间形成横轴旋滚,并与坝面主流发生强烈掺气作用,使水流紊动加剧、掺气增强,大大减少了下泄水流的能量,改善了坝址处的水利条件,使坝下游的消能设施得已简化.结合光明水电站水工模型试验,对消能率进行了研究,结果表明:影响台阶坝面消能率的主要因素为台阶坝高、台阶的突出高度、台阶坝的坡度和单宽流量.同时推导出消能率的计算公式.该公式可为相关设计提供参考.     

不同体型过渡阶梯对联合消能工水力特性的影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能方式在宣泄高水头、大单宽流量时出现坝面掺气不充分及空化空蚀问题。该文通过水工模型试验,对比分析三种过渡阶梯与阿海原型工况共4种方案下,掺气空腔、台阶面负压及沿程时均压强等水力特性。试验结果表明:各方案的最大负压均出现在首级台阶立面,方案三由4个25 mm×18.75 mm(高×宽)台阶组成的过渡阶梯产生的最大负压最小,为-0.11 kPa,比原型方案由6个16.67 mm×12.50 mm(高×宽)台阶组成过渡阶梯产生的最大负压减少了0.19 kPa,比方案四由3个33.33 m×25 mm(高×宽)台阶组成的过渡台阶减少了0.08 kPa。从消能方面看,方案三的消能效果最佳,消能率为63.19%,比方案二的消能率62.38%增加了1.3%,比方案四的消能率63.03%增加了0.25%。因此,适度增大过渡台阶尺寸,有利于阶梯面与挑射水流之间形成足够、稳定的气体空腔,减少台阶面负压,相应地提高了消能效果。     

台阶式溢流坝的消能试验与计算

对台阶式溢流坝进行了不同比尺、不同台阶高度的水力模型试验。试验成果分析表明，不同比尺模型的消能率一致性较好。同时，从台阶式溢流坝因下游坝面台阶的存在，增加了下游坝面糙率的观点出发，求得了台阶式溢流坝消能率的计算公式，可用于台阶式溢流坝消能率及其坝下游水流衔接计算。     

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。     

HYDRAULIC PERFORMANCES OF SKIMMING FLOW OVER STEPPED SPILLWAY

Hydraulic performances of skimming flow over stepped spillway was studied by means of hydraulic model experiment. The stepped spillway is a modification of the WES (Waterways Experiment Station) standard spillway. The main objective of the experiment was to study the performances of skimming flow over stepped spillway, which include the skimming flow regime, the flow depth on the spillway , the effect of air en-trainment and the energy dissipation. Presented in this paper, the experimental results indicated that the stepped spillway is more effective at dissipating energy, the dissipation ratio decreases with increasing discharge, and the free surface air entrainment on stepped spillway occurs much more upstream than on smooth spillway.     

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。     

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。     

台阶式溢洪道相对消能率与相对佛汝德数关系研究

台阶式溢洪道是目前研究的热点,台阶消能率和佛汝德数是重要的水力参数。将台阶式溢洪道佛汝德数与对应光滑溢洪道佛汝德数对比,引入相对佛汝德数的概念,准确地反映由于台阶的存在对水流佛汝德数的改变值。通过对0.5,1.0,2.0 m 这3个不同台阶高度,坡度为38.66°的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了相对佛汝德数和相对消能率之间的关系。结果表明非均匀流流态下相对佛汝德数和相对消能率表现出良好线性关系,相关系数为0.992 7~0.998 9。单宽流量不同,相对佛汝德数和相对消能率对应直线的斜率明显不同,其斜率随单宽流量加大而增大;而台阶高度变化对相对佛汝德数和相对消能率线性关系的直线斜率影响很小。     

阶梯式溢流面消能特性研究

通过物理模型专题研究,并结合国内外相关研究成果,对阶梯式溢流面的消能特性作了较系统的探讨。论述了阶梯式溢流面消能率的影响因子及规律,研究表明,消能率大小与溢流面坡度关系不大,而与单宽流量、阶梯高度及数目存在着定量关系。
关 键 词： 阶梯式溢流面;光滑溢流面;消能率;相对消能率     

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%。     

台阶溢流坝的三维水力特性数值模拟

本文简单介绍了台阶式消能工在国内外的应用和发展前景,并以太湖水库工程为例,通过流体仿真软件对该工程的台阶式溢流坝和光滑溢流坝进行数值仿真,对比研究两种溢流坝体形的消能效果、压强场和速度场等.结果表明,台阶式溢流坝的消能主要集中在台阶上,相对于光滑溢洪道,因其减小对下游的冲刷而降低了工程投资.     

阶梯式消能工与掺气墩在工程中的联合运用

为使溢洪道具有较好的泄流条件,提高消能效率同时节省投资,提出了阶梯式溢洪道与掺气墩相结合的联合消能方式。以某水库溢洪道改造工程为例,对溢洪道的阶梯尺寸、掺气墩的结构及布置型式进行了探讨,最终泄槽段采用了1 m的阶梯形式与前倾30°的圆柱形掺气墩相结合的联合消能方式。试验结果表明,阶梯式消能工和掺气墩联合运用消能效果优异,水流条件明显改善。