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。     

某水库阶梯溢洪道水力特性研究

采用标准k-ε双方程紊流模型,结合VOF法,对某水库阶梯溢洪道的水面线、流速、底板压强等水力特性进行了数值模拟,部分计算结果与1∶30比尺水工模型试验的结果进行了对比验证。结果表明:单宽流量较大时阶梯段水流为滑移水流流态,阶梯段水面较稳定;消力池内为淹没水跃,水面波动剧烈。台阶水平面外缘的压强明显大于内侧,各个台阶的压强分布规律一致,阶梯加消力池联合消能的效果显著,可供类似工程参考。相关水力参数的数值计算值和试验结果吻合良好,三维紊流数值计算可以获得流场的详细信息,表明采用上述紊流模型来计算阶梯溢洪道的流场是可行的。     

某水库台阶式溢洪道脉动压强特性研究

台阶式溢洪道水流流态复杂,其水流脉动直接影响到水利工程的安全,为论证某水库台阶式溢洪道的安全性,采用物理模型试验方法,对台阶式溢洪道脉动压强特性进行研究。结果表明,台阶式溢洪道底板脉动压强是随时间变化的平稳随机过程;脉动压强强度在台阶凹角和中点处相差不大,从台阶面中点向凸角处逐渐增大;脉动压强强度沿程交替出现波峰和波谷,呈波浪状变化,并随流量的增加而增大;台阶式溢洪道脉动优势频率主要集中在0~2 Hz,属低频振动。研究成果可为类似工程的优化设计提供参考。     

台阶式溢洪道水流压强特性试验研究

为探讨台阶式溢洪道水流压强特性,结合青藏高原某水库,采用物理模型试验方法对高海拔地区台阶式溢洪道时均压强、脉动压强等特性进行了系统研究。结果表明:台阶式溢洪道水平面时均压强和脉动压强变化规律基本一致,从台阶凹角向凸角方向先有所减小,后逐渐增大,当流量较小时,时均压强在初始台阶会出现负值;台阶竖直面负压区范围超过整个台阶高度的一半,脉动压强在台阶顶角处较大;台阶式溢洪道时均压强和脉动压强沿程交替出现波峰和波谷,呈波浪状变化,总体上随流量的增大而增大,改变台阶尺寸,其值也发生变化;台阶式溢洪道脉动压强是随时间变化的平稳各态历经的随机过程,脉动优势频率为0~2 Hz,属低频振动,其概率密度为偏态分布,不会危害泄水建筑物安全。     

倒V形阶梯与传统阶梯流场特性对比研究

倒V形阶梯溢洪道作为一种新型阶梯溢洪道,具有特殊的流场特性。为探究倒V形阶梯独特的流场特性,在模型试验研究的基础上,采用数值模拟的方法,对比研究了倒V形阶梯与传统形阶梯溢洪道滑行水流流态下的流速矢量分布、压强分布及消能特性。研究结果表明:倒V形阶梯水流结构及压强分布与传统阶梯有较大差异,其分布在溢洪道宽度方向呈现明显的差异,呈现出独特的三维流动特性;倒V形阶梯相较于传统阶梯溢洪道具有更好的消能效果。     

带尾坎的阶梯溢洪道数值模拟研究

带尾坎的阶梯溢洪道是一种新兴的阶梯溢洪道,在一定条件下可提高掺气效果和消能率,但是对于该种溢洪道内水流三维结构、压强分布以及尾坎参数对相关水力学指标的影响的研究甚少。为此,采用三维紊流数值模拟的方法计算了不同尾坎高度的阶梯溢洪道内水流流态、压强分布、流场结构、旋涡结构、消能效果等。研究结果表明:增加尾坎高度会抬升水面高程,但对水面形态影响较小;台阶水平面上压强分布呈"凹"形曲线,最小值出现在台阶中部,台阶竖直面压强最小值出现在其顶部,且台阶水平面、竖直面上压强均随尾坎高度增大而增大;旋涡强度和尺度随着尾坎高度增大而增大,但是主流流速分布无明显变化;消能率随尾坎高度增大呈上升趋势,但是变幅较小。     

台阶式溢洪道滑行水流压强特性的试验研究

模型试验表明，台阶式溢洪道滑行水流压强在台阶上的分布规律是：在水平面，压强从台阶凹角向凸角先逐渐减小，其最小值在距凹角(0．3～0．5)倍步长处，然后开始回升，至(0．7～0．9)倍步长处压强升至最大，在凸角处又有所降低。竖直面，从凹角向上压强值由大逐渐减小，在步高为(0．5～1．0)范围内为负压区，负压值沿高度方向逐渐增大，至凸角下缘负压值最大。在沿程方向，压强呈波浪式分布，在相邻台阶上出现波峰和波谷。脉动压强强度和压强系数的变化规律与时均压强一致，且随来流量和台阶坡度增大而增大，在x／L1≤0．4～0．5以前脉动压强强度沿程增大，随后有所减小。脉动压强的优势频率在0～2Hz之间，概率密度为偏态分布。     

溢洪道出口窄缝挑坎特性研究

消能工体型的选择在水利工程设计中至关重要。采用RNG k-ε紊流模型与VOF方法对泄洪过程中溢洪道与水垫塘内的水流进行水气二相流三维数值模拟,研究窄缝型挑坎消能工的水流特点及规律,结果显示,数值模拟计算的水深、水流流态、入水角度等参数与模型试验结果吻合较好,验证了数值模拟的可行性。在此基础上,计算分析了窄缝型挑坎收缩段水流及空中水舌的水力特性,以及水垫塘底板压强分布规律,确定出窄缝型挑坎最大压强所在位置及空中水舌流速变化规律。研究结果表明：窄缝型挑坎束窄水流作用明显,其空中水舌同一横断面的最大流速位置基本相同,同一纵向断面垂向流速差沿程逐渐减小,挑坎收缩段底板处流速大小呈抛物线形分布,而压强分布沿程呈现3个区间3个趋势的分布规律。研究成果可为实际工程中同类型消能工的设计提供参考。     

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%。     

与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性

通过工程原型与模型试验资料的类比分析,结合台阶面水流流态特点,对与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性进行了研究.研究结果发现,台阶面坡比及台阶高度对台阶面水流近底流速分布影响很小,近底流速随台阶位置在下游尾水中深度的增加而减小,在尾水面以上,近底流速沿程变化很小,其值仅与堰上水头和宽尾墩形式有关.堰面采用Y型宽尾墩时,台阶面近底流速为21.5～23.5 m/s;采用X型宽尾墩时,近底流速为19.5～21 m/s;无墩时,近底流速为16～19 m/s.     

汤河水库溢洪道导流墙模型试验研究

本文以汤河水库溢洪道陡槽弯道段续建工程设计方案为依据,通过在实验室进行水工模型试验,首先分别对无导流墙溢洪道和有导流墙溢洪道进行了泄水能力以及水流形态研究;其次,对两种工程设计段的水流流态、流速分布以及底板压强分布进行了对比研究;最后通过实验数据分析,提出对溢洪道弯道段加导流墙的优点,进一步分析其可行性。     

开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究

开敞式宽大单泄槽溢洪道与一般溢洪道相比易发生水流流态复杂、掺气效果差等工程安全问题。以马来西亚Baleh水电工程为例,采用VOF法与RNG k-ε双方程紊流模型对溢洪道流场进行三维数值模拟。计算分析了不同工况下溢洪道流态、流速、沿程压强等水力特性的分布规律。同时开展1∶50物理模型试验,对比分析数值模拟结果与模型试验结果发现,两者基本一致,验证了开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性数值模拟的准确性与可行性。进而利用紊流模型计算分析了溢洪道掺气坎的优化布置方案,结果表明：1#掺气坎抬高20 cm后,坎后掺气空腔长度由11.03 m增大至19.84 m,消能率提高了6.11%;3#掺气坎沿泄槽陡坡上移15 m后,挑流水舌冲击位置上移,减轻了对挑流鼻坎段水流流态的影响。研究结果对同类工程的优化设计有一定的借鉴作用。     

溢洪道泄流临底流速仿真模拟研究

临底流速是影响泄流结构安全的一项重要因素。采用Fluent软件中RNG k-ε和VOF模型对某溢洪道泄流临底流速进行了数值仿真模拟研究。数值模拟结果的水流流态和水深等与溢洪道泄流原型观测数据基本一致,验证了所采取数值仿真模拟方法的合理性。在此基础上,系统分析了该溢洪道临底流速的分布规律。结果表明:工程实际冲刷破坏处与仿真结果中最大临底流速及近底侧临底流速最大梯度出现位置是吻合的,可见临底流速及其变化梯度是引起溢洪道冲刷破坏的主要原因之一。     

深层隧道进流式泵站前池流态及整流措施研究

为改善深层隧道进流式泵站前池内的旋流、偏流等不良流态,基于RNG k-ε 湍流模型对前池流态进行数值模拟,研究适用于此类城市排涝泵站的整流措施。数值计算结果表明:泵站前池、进水池内存在局部立面旋滚、螺旋流、斜向流、流速分布上高下低等不良水力现象,致使泵站进水流道水力条件不佳;采用双层环形板和两组导流墩的组合式整流措施可抑制前池、进水池中的立面旋滚、螺旋流和斜向流流态,从而有效改善流道的进水条件,提高进水流道进口处流速分布均匀度,使泵进水状况变好,提高泵站运行的可靠性。     

台阶式溢洪道泄流数值仿真研究

台阶溢洪道水力特性的研究具有十分重要的现实意义,通过CAD2012对某台阶溢洪道进行了三维建模,采用ICEM进行四面体网格划分,同时利用FLUENT软件,采用标准两方程紊流模型、VOF模型进行了边界与自由水面处理,最终实现了对台阶溢洪道泄流数值仿真,获得了水流流态、台阶紊动耗散率、紊动能、台阶压力与流速等结果。     

阶梯溢洪道水力特性及下游冲刷三维数值模拟

基于VOF法的RNG k-ε双方程紊流数学模型,对阶梯溢洪道水流压强特性及下游局部冲刷坑的形态和发展进行了三维数值模拟.结果 表明:数值模拟结果与试验值吻合良好;台阶面流速沿着台阶凸角的连线形成一个"伪底",流速与坡面近似平行,各个台阶与主流之间存在一个三角形空腔,形成顺时针旋转的漩涡.漩涡中心速度趋近于零,向外逐渐增...     

溢洪道挑流鼻坎水气二相流数值模拟研究

针对某溢洪道挑流消能存在的问题,采用VOF方法、立方体网格和k-ε紊流模型对溢洪道整体水力特性进行了三维数值模拟,对挑射水流流态、水舌掺气、水垫塘底板压强、下游河道流速等方面进行了分析。将某溢洪道由原高低式挑流鼻坎修改为差动式后,增大了下泄水流入水范围,提高了挑流消能的消能效率,减小了水垫塘底板压强,降低了下游河道水流流速。优化方案数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。     

台阶式溢洪道滑掠流时均压强影响因素分析

由于台阶式溢洪道结构特殊,流态复杂,对台阶式溢洪道压强并未取得一致性的研究成果。对多个台阶式溢洪道滑掠流时均压强资料进行分析,探讨来流流量、掺气、台阶尺寸、溢洪道坡度等对台阶式溢洪道时均压强的影响。分析结果表明单宽流量大,时均压强变大;掺气可有效降低正压时均压力并增加负压值;台阶尺寸对台阶式溢洪道的影响较为复杂,台阶尺寸较小,且坡度较缓时竖直面压强呈中间小、两头大分布,坡度较大时具有2个压力极小值,位于竖直面底部和顶部,台阶尺寸较大时竖直面压强自下而上呈减小趋势;坡度增加,台阶式溢洪道压强变化幅度增大。     

宽尾墩对官地水电站底流消能影响的试验研究

针对官地水电站进行了有、无宽尾墩的局部模型试验研究,从堰面及消力池内流态、消力池内水面线、堰面和消力池底板时均压强和脉动压强的沿程分布、消力池内临底流速沿程分布等方面详细地分析了宽尾墩对底流消能的影响。试验结果表明:宽尾墩改善了官地水电站底流消力池内的水流流态,能降低消力池底板上的时均压强和脉动压强,改善了跌坎下的流速分布和流速梯度,有利于解决官地水电站大落差、高流速、大单宽流量的泄洪消能问题。     

斜向进水消力井水力特性模拟研究

水利水电工程中的泄水建筑物出口往往正冲河道,圆形消力井可以很好地适应山区峡谷地形条件的变化,使下泄水流平顺归河。针对一定纵坡条件下,尾水出口与泄槽轴线呈非对称正交的圆形消力井内复杂的水力特性问题,采用有限域数值模拟计算的方法对比验证并补充了物理模型试验成果,进一步开展了沿空间射流方向的相关水力要素机理分析。研究表明:消力井内水流流态依次呈平面横向紊动扩散自由射流、主流动力自相似淹没射流和冲击射流、近壁面附着扩散旋滚水跃3个临界雷诺数分区演变过程;沿程最大流速变化符合试验半经验公式拟合规律且近似呈平面扩散分布;水体压强结构特征可分解为水平轴对称及竖直变幅下的叠加分布。