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。     

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。     

圆孔格栅对井式消能水力特性的影响研究

消力井井深和井径大小直接影响下泄水流的消能效果和尾水渠水流流态,井内增加格栅可有效改善消力井水力特性。通过水工模型试验,研究圆孔格栅(开孔率40%)在不同高程位置,对消力井底板水力特性的影响。在此基础上,运用数学方法对底板时均动水压强以及脉动压强标准差σ值、变异系数Cv值进行量化分析,得出结论:相同流量情况下,格栅高程为0.40m时,消力井底板的动水压强明显降低;格栅高程降低至0.30m时,消力井底板的动水压强仍然呈下降趋势,但降幅减小;格栅高程进一步降低至0.20m时,消力井底板的动水压强未见明显变化。     

泄水建筑物斜向进水消力井井深设计研究

对布置于地形陡峻、河谷狭窄的山区泄水建筑物,圆形消力井能够很好地适应下游地形变化,使得下泄水流平顺归河。文章通过水工模型试验,研究斜向进水条件下,消力井井深变化时,其底板冲击压强、脉动压强的变化规律,以及底板压强脉动的不均匀性和频谱特性。成果表明:消力井水垫对涡体尺度的阻滞及吸收射流动能的作用是井流消能的主要原因。在试验泄洪功率条件下,消力井井深由30cm增加到40cm时,底板动水压强呈衰减趋势;井深增加至50cm时,底板脉动压强值虽然继续降低,但降幅明显减小。     

山区泄水建筑物斜向进水消力井直径优化研究

通过水工模型试验,研究在斜向进水条件下,狭窄河谷泄水建筑物消力井沿径向不同井径下的底板动水压强时均值及不均匀系数、脉动压强方差和频谱特性的变化规律。成果表明:在一定泄洪功率时,受下附壁射流和底部潜流影响,射流远端冲击区底板区域动水压强时均值、不均匀系数以及脉动强度方差均明显大于射流轴线左、右侧底板和靠近泄槽末端消力井底板区域。相较于消力井井径由0.15m增大到0.30m,在井径进一步增大到0.45m时,无论消力井底板动水压强,还是底板脉动压强均呈下降趋势。     

圆孔格栅不同开孔率对井式消能水力特性的影响研究

对于山区消能建筑物而言,在地形地质条件受限时,圆形消力井是一种可行的选择,其井深和井径的大小直接影响到工程投资和消能效果。通过水工模型试验,研究格栅开孔率变化对消力井底板时均压强、脉动压强标准差、脉动压强峰峰值等水力特性的影响。成果表明:①当格栅开孔率为40%时,消力井尾水渠水流流态较为平顺,但格栅下部水体紊动剧烈,消力井底板射流水股落点附近水流脉动压强时均值、标准差等均最大;②格栅开孔率降低至35%时,格栅上部水体和尾水渠水流流态紊动稍有增强,但格栅下部水体紊动程度减弱,水股落点附近水流脉动压强时均值、标准差均有所降低;③格栅开孔率进一步减小至30%时,入射水流在格栅上部的弹射现象加剧,导致尾水渠流态极为紊乱,虽然消力井底板时均压强、脉动压强标准差继续降低,但降幅明显减小,趋于稳定。     

收缩比对非对称窄缝挑坎水力特性的影响

窄缝挑坎消能工因其良好的消能效果和易施工的特点被广泛应用于工程中。笔者通过模型试验,对3种收缩比(η=0.2,0.25, 0.3)情况下的单侧偏转的非对称窄缝挑坎的边墙水面线,底板中线时均压强和脉动压强特性展开了研究。试验结果表明:非对称窄缝挑坎的左右边墙水面线形态不同但均呈现上升趋势,窄缝底板中线上的时均压强和脉动压强均方根沿程增大,在接近窄缝出口处达到峰值,后减小。窄缝底板中线上的脉动压强基本符合标准正态分布。     

消力塘透水底板脉动壁压幅值相似律研究

以底流消能情况下消力塘透水底板下表面脉动壁压为研究对象,设计了系列比尺(1∶1,1∶2,1∶4)模型试验,分析了透水底板脉动壁压强度、偏态系数、峰度系数以及概率密度函数沿程分布特征,并研究了系列比尺模型试验中脉动壁压幅值特性的相似律问题。结果表明,底流消能情况下消力塘透水底板脉动壁压幅值符合重力相似律。     

斜向进水矩形消力井井深设计研究

传统底流消能工的地形条件无法满足池长要求时,可通过增大池深和池宽来达到消能目的。为得到矩形消力井在不同来流条件下分别对应的适宜井深,通过水工模型试验,研究井深变化对消力井底板冲击压强的影响以及入射淹没射流弗劳德数和井深的关系。成果表明：井深增加冲击区的冲击压强和脉动压强方差均减小,但其降幅随井深的增大而降低;消力井所需要的适宜井深随入射水流弗劳德数增大而增大。依托试验成果,进一步给出泄槽末端断面入射水流(跃前)水深和消力井适宜深度的拟合公式,可为工程设计提供参考。     

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。     

联合泄洪下跌坎消力池底板脉动压强试验研究

基于某工程模型试验,对跌坎底流消能工消力池在表孔和中孔不同运用方式下脉动压强大小及分布特性进行研究。试验结果表明:开孔方式不同对底板脉动压强影响差别很大,首先脉动压强峰值在底板所处位置表现各不相同,其次脉动压强系数沿底板分布表现为表、中孔联合泄洪要比表孔或中孔单独泄洪明显减小,说明在同等运行条件下采用表孔和中孔联合泄洪更有助于降低消力池底板脉动压强,对底板安全运行有利。     

阿尔塔什水利枢纽水垫塘水动力特性及底板稳定性研究

为研究阿尔塔什水利枢纽工程的消能效果,基于1∶50水工模型试验研究了水垫塘的动水压强、上举力的分布规律、幅值特性,并对水垫塘底板高程进行了优化。研究表明,时均压强、脉动压强在桩号0+080—090之间出现峰值,最大上举力、脉动上举力均在桩号0+110附近出现峰值;消能防冲工况1—4中,A列6~#(1~#表孔中线、桩号0+110)板块最大上举力达到18.67×9.8 kN/m~2,存在安全风险,建议对该板块及其周边板块加强防护;工况2(消能防冲,1#表孔+中孔泄洪)中线冲击压强达到15×9.8 kPa、脉动压强最大达到9.65×9.8 kPa,最大上举力、脉动上举力峰值分别达26.21×9.8 kN/m~2、4.58×9.8 kN/m~2。降低水垫塘底高程,可以有效降低上举力,有利于底板稳定;水垫塘底高程降低3 m后,工况2最大上举力、脉动上举力峰值分别降至16.69×9.8 kN/m~2、3.51×9.8 kN/m~2,降幅分别为36.3%、23.5%。     

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。     

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。     

空腔旋转流压强与影响因素

该文通过模型试验与理论分析,探讨了泄水道水平空腔旋转流压强的产生机理与构成,在对影响因素相互关系分析的基础上,研究了壁面压强与空腔气体压强的变化规律。所得主要结论为:起旋器孔口的动水压强p_1、壁面压强p_w和空腔气体压强p_0均可表示为起旋器孔口的水流弗劳德数Fr_q、通气孔通气量弗劳德数fr_Ф和相对下游水深h/D的函数关系,且流态不同时影响变量也不同;p_0的变化是由通气孔的通气量始终等于空腔旋转流携气量的动态平衡关系决定的,由该关系可得到fr_Ф与Fr_q之间为线性关系;随相对通气孔直径D_0/D的增大,相对气体压强p_0/ρgH增大并趋向于零,临界值约在D_0/D=0.2,h/D对p_0/ρgH的影响是相对的;由于空腔旋转流的气水界面具有"橡皮筋"特性,离心力导致壁面压强并向上游传递,因此,p_1/ρgH与(p_w-p_0)/ρgH之间为线性关系;随Fr_q~2的增大,p_1/ρgH线性减小,p_w/ρgH线性增大;在抽吸旋转流流态下,旋流洞内离心力压强与壁面压强的比值大于1,不同的旋流洞断面比值不同。     

消能井在长距离管道引水电站的应用研究

重点研究了长距离管道引水电站调节保护在管道末端消能的措施;通过调节保护计算、模型试验验证,研究分析了引水管道末端阀前、阀后在泄放水击水头时管道内的水力特性,以及消能井的井内流态和时均压强等关键参数。其调节保护计算与水工模型试验相互验证,为消能井设计和合理性提供依据。     

齿墩数量对齿墩式内消能工消能率影响试验

针对洞塞式消能工对消能体型的过流能力有较大影响的缺点,为尽可能减小其影响,进行了齿墩式内消能工物理模型试验,设计了面积收缩比为0.375条件下不同齿墩数量的3种方案来试验分析齿墩式内消能工过流能力、局部水头损失系数、消能效果、脉动压强特性及脉动流速特性。试验结果表明:齿墩数量对齿墩式内消能工的消能效果起着一定的作用,在试验范围内,随着齿墩数量的增加,过流能力增强,局部水头损失系数减小,消能率降低;紊动强度在距齿墩段进口1.5D(D为管道内径)处达到最大,7D后趋于平稳;脉动压强在距齿墩段进口1.3D~1.6D达到最大,然后急剧衰减,在距进口5.6D处趋于平稳。     

平底型与反拱型水垫塘动水荷载对比试验研究

水垫塘结构是影响高坝泄洪消能的关键,优化水垫塘底板型式对有效地增加底板稳定性和减小动水荷载至关重要.平底型和反拱型底板作为两种常见的水垫塘结构型式被业界广泛采用,但关于两者的动水荷载特性对比研究尚不多见.基于白鹤滩水电站1:50整体模型,采用物理模型试验的方法对比了平底型和反拱型水垫塘在时均压强和脉动压强方面的特性.结...     

台阶式溢流坝消力池压强特性试验研究

为研究台阶式溢流坝不设反弧段连接时消力池底板压强特性,结合某水库实际工程,采用物理模型试验方法,对台阶式溢流坝消力池底板时均压强、脉动压强强度和峰值等压强特性进行了研究。结果表明,消力池底板时均压强均为正值;在滑行水流和过渡水流时,时均压强在水流冲击区出现一个较大值,最大为0.926kPa,下游反弹区形成极小值;在跌落水流时,时均压强沿程变化较小,且随流量的增加而增大;脉动压强强度和峰值沿程变化规律基本一致,总体上随流量的增加而增大,最大值出现在水流冲击区,脉动压强最大为1.198kPa,随后沿下游方向逐渐减小,并趋于稳定;台阶尺寸对消力池底板时均压强和脉动压强影响不大;消力池内脉动优势频率为0.01~4 Hz,属低频振动,不会危害泄水建筑物的安全。研究成果可为台阶式溢流坝消力池的优化设计提供参考。     

闲林水库输水系统消能模型试验研究

通过水工消能模型试验和复核计算,对闲林水库大清谷消力池的体形、水流衔接特性、闸门开度进行了测试和分析。结果表明,弧形闸门采用2.0 m×2.0 m的尺寸,正常运行时开度范围为0.435～1.813 m,相对开度为21.77%～90.65%,能够满足近期及远期的供水要求;在有尾坎的情况下,不宜设置垂直消波格栅,水平格栅设置位置离水面越近,消波效果越明显;推荐优先采用差动坎作为稳水区上游的消能坎,优化方案中可将稳水区底板抬高到与消力池底板平齐;流量越小,闸门开度越小,上游水位越高,对消力池的消能要求越高,工程运行中要尽量避免高水头、小流量情况下的长时间运行。