台阶式溢洪道的消能及其应用价值的探讨

作者总结了溢洪道消能率的计算公式、消能率的影响因素、台阶式溢洪道的适用范围;对某水库的台阶式溢洪道和光滑面溢洪道的两个方案在消能效果、消力池长度等方面进行比较,分析了这两种方案各自的特点。结果表明,台阶式溢洪道消能主要集中在台阶段,而且相对于光滑面溢洪道,大大缩短了消力池的长度,降低了投资。     

碾压混凝土坝采用台阶式溢洪道消能初探

台阶式溢洪道在国外许多碾压混凝土坝上得到采用，本文通过试验，分析了台阶式溢洪道的消能特性，单宽流量与消能率的关系，以及台阶面坡度对消能率的影响，以便探讨在我国碾压混凝土坝上应用台阶式溢洪道的前景。     

台阶式溢洪道消能率影响因素分析

台阶式溢洪道利用台阶改变水流方向,导致水流动能耗散,对提高溢洪道消能效果具有重要意义。与光滑溢洪道相比,台阶式溢洪道的消能率更高,因此在水利工程中得到广泛应用。台阶式溢洪道消能效果主要用消能率衡量,与光滑溢洪道比,台阶式溢洪道的水力参数更加复杂。采用室内试验与理论分析耦合方法,分析了台阶式溢洪道台阶高度、流量、坡度对消能率的影响。研究表明:其它参数相同时,台阶式溢洪道长度增加,消能率增加;单宽流量增加,消能率减小;台阶高度增加,消能率增加。     

阶梯式消能工在白杨河水库的应用

介绍了阶梯式溢洪道在白杨河水库工程中的应用,对该工程的阶梯式溢洪道和光滑面溢洪道从消能效果、消力池长度方面进行比较。结果表明,阶梯式溢洪道的消能主要集中在台阶上,而相对于光滑面大大缩短了消力池的长度,降低了投资。     

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。     

某水库岸边溢洪道体型优化试验研究

结合某中低水头水库工程的岸边溢洪道,以水流流态衔接、减小消力池规模为控制指标,采用物理模型试验比较了采用"光滑溢洪道+底流消力池"与"前置掺气坎式阶梯溢洪道+底流消力池"两种消能方案的优劣,对不同布置方案在不同运行工况下的水流流态、入池流速与消能率等水力学指标进行详细对比分析。研究成果表明:采用前置掺气坎式阶梯溢洪道后,消力池长度能缩短57.1%,入池流速减小最大达51.18%,综合消能率大于84%。同时,前置掺气坎式阶梯溢洪道使阶梯泄槽内掺气更充分,继而可减小发生空蚀破坏的可能性。研究成果可为类似工程设计提供一定的参考。     

某水库台阶式溢洪道优化试验研究

台阶式溢洪道广泛应用于工程中,基于模型试验对某水库溢洪道除险加固工程台阶式溢洪道方案进行研究,试验结果表明,设计方案基本满足溢洪道常遇洪水的泄洪消能要求,但当下泄流量高于消能防冲流量时溢洪道泄槽局部出现不良水力现象,并且消力池长度不足。为此在设计方案的基础上,对溢洪道闸室出口泄槽连接段、泄槽掺气设施及消力池消力墩进行不同方案优化布置。通过模型试验最终选定相对较优方案作为某水库溢洪道除险加固方案,优化后泄槽内水翅现象消除,消力池内流态改善,总消能率有所提高。     

台阶式溢洪道滑行水流消能特性研究

台阶式溢洪道的消能特性是研究的热点方向,而单纯的台阶式溢洪道消能率并不能有效反映台阶在消能方面的价值。将台阶式溢洪道和同体形光滑溢洪道的消能规律进行对比,可以准确反映出台阶结构对水流消能的贡献。通过对26.56°、38.66°、51.30°三组坡度,0.5、1.0、2.0 m三种台阶高度的台阶式溢洪道进行水工模型试验研究,探讨了不同台阶高度(d)、单宽流量(q)、坡度(θ)下相对消能率(Δη)和台阶流程长度与水深比(L/h)的关系。结果表明:台阶水流为滑行流态时,在非均匀流段上相对消能率和台阶流程长度与水深比呈线性关系,复相关系数R~2在0.984 6~0.996 2之间,直线斜率随单宽流量、台阶高度、坡度的增大而增大。试验分析证实了研究相对消能率的必要性,Δη和L/h的线性关系为进一步探究台阶的消能特性提供了依据。     

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。     

某工程阶梯溢洪道优化试验研究

通过水工模型试验对光滑溢洪道及不同高度阶梯溢洪道的水力特性进行了试验研究,结果表明,采用阶梯溢洪道能大大提高溢洪道的消能率,减小消力池的入池速度,有利于下游河道的稳定。     

索风营水电站泄洪消能水力特性试验研究

为缩短工期，提高工效，索风营水电站采用宽尾墩 台阶坝面 消力池的联合泄洪消能形式。通过三种不同比尺的模型试验，分析比较了枢纽布置、表孔泄流能力、宽尾墩、台阶坝面及下游消能防冲等问题，提出了X形宽尾墩，它具有传统宽尾墩大单宽泄洪消能作用，同时又有台阶坝面小流量消能作用，使消力池底板承受冲击压强减小30％。     

某工程阶梯溢洪道试验研究

为了改善溢洪道下游消力池的流态和减轻下游的冲刷,采用物理水工模型试验,对光滑溢洪道及不同高度阶梯溢洪道的水力特性进行了试验研究。研究结果表明,采用阶梯溢洪道之后,能大大提高溢洪道的消能率,减小消力池的入水速度,有利于下游河道及滑坡体的稳定。模型试验成果为工程中溢洪道的优化设计提供科学依据。     

Inception point of air entrainment over stepped spillways

The location of the inception point of the air entrainment directly affects the energy dissipation ratio, the cavitation damage control, and the training wall height designs for a stepped spillway and a stilling basin. In this paper, the boundary layer theory of plates is used to predict the location of the inception point of the air entrainment over the stepped spillways by assuming the steps on the spillways as a kind of roughness. An empirical formula is presented based on the physical model experiments, with the maximum error less than 1% except at one point where the error is 1.6%, as compared to the experimental data. Meanwhile, it is shown that the location of the inception point of the air entrainment for the stepped spillway is much nearer to the top of the spillway than that for a smooth spillways, which explains why the high ratio of the energy dissipation is provided for the stepped spillway.     

阶梯溢流坝和宽尾墩及消力池组合消能的水流数值模拟研究

采用两相流模型,辅以Realizable k湍流模型,来模拟阶梯溢流坝和消力池组合以及阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合两种联合消能工的水力特性,获得了流速场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率等物理参量的分布。网格划分采用了分区域划分:模型中任何形状不规则的复杂部分采用非结构网格划分,对形状规则的部分则采用了结构网格划分,并根据流动梯度的大小安排网格的疏密程度。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用了VOF法处理自由水面,使用PISO算法求解速度与压力的耦连方程组。比较分析了两种消能工在速度场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率的差异。研究结果表明:受宽尾墩的影响,坝面及消力池中的流速均小于无宽尾墩的情况,而台阶坝面的压强明显高于无宽尾墩的情况;在消力池中紊动动能及其耗散率均大于无宽尾墩的情况。可见,阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合消能工的消能优于无宽尾墩的情况。     

惠州抽水蓄能电站上库溢流坝阶梯消能试验研究

介绍惠州抽水蓄能电站工程概况,建议将上库溢流坝挑流消能改为底流消能方式。通过水力模型试验研究,推荐溢流坝采用“坝面削角阶梯+底流消力池”的联合消能方案。试验表明,削角阶梯坝面末端泄流的动能只占相应光滑坝面动能的30％以下,相应动能消能率达70％以上,消能效果较显著,大幅度减小了溢流坝下游消力池的尺寸和工程量。     

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.     

掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气空腔的影响

在宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工中利用前置掺气坎连接WES曲面与阶梯溢流坝,能有效增加阶梯面掺气,避免阶梯遭受空化空蚀破坏。主要引用水气两相流VOF方法的RNG k-ε模型,采用几何重建方式对水气面附近进行插值以及利用PISO算法和非定常流算法进行数值模拟,模拟前置掺气坎角度8°,10°和11.3°时阶梯溢流坝上坎后掺气空腔长度及阶梯面压力分布,模拟范围从库区至消力池尾部。为验证模拟计算的可靠性,对阶梯溢流坝坎后掺气空腔进行模型试验,通过坎后空腔长度模拟值与实测值的对比分析,发现两者吻合较好,最大偏差为7.9%。模拟结果表明,掺气空腔长度随前置掺气坎角度的增加而增加,阶梯近壁面最大负压绝对值及压力随前置掺气坎角度的增加而增加且负压分布范围逐渐扩大。