非棱柱体明渠非均匀渐变流水面线定性分析与计算

本文首先导了非棱柱体明渠非均匀渐变流水面线定性分析的基本方程，对水面线进行定性分析，并利用反算断面比能水深法确定不面线试算的假设水深，准确地进行水面线计算。     

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。     

台阶溢洪道无因次消能水头规律与水面线计算

台阶式溢洪道消能水头是重要的水力参数,直接反映了台阶式溢洪道的消能情况。对台阶式溢洪道的消能水头及影响因素进行因次分析,引入相对临界水深、相对位置。通过对5组不同坡度,3个台阶高度,3个单宽流量共45个组合工况下的台阶式溢洪道进行模型试验研究,探讨无因次消能水头与相对临界水深、相对位置、坡度的关系。结果表明:无因次消能水头与相对位置呈现良好的线性关系;直线斜率与坡度呈线性递增关系,与相对临界水深无关。依据这些规律计算台阶式溢洪道沿程水面线,为台阶式溢洪道复杂水力特性计算提供了新方法。     

通过相对比能计算台阶式溢洪道水面线

台阶溢洪道是由常规光滑溢洪道发展而来的,对台阶溢洪道与光滑溢洪道的断面比能进行对比分析,引入台阶相对比能的概念。通过26.6°~48.0°坡度、0.5~2.0 m台阶高度的模型试验发现,相对比能与流程长度呈良好的线性关系。基于相对比能与流程长度的线性关系,联合光滑溢洪道水面线计算方法,实例计算了台阶溢洪道沿程水面线,计算结果与试验值吻合。     

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。     

受水利工程影响后的河段洪水水面线分析计算——以郁江干流贵港枢纽至西津坝下段为例

在考虑贵港航运枢纽调度运行方式的基础上,复核分析贵港航运枢纽泄流曲线的合理性,采用河道非均匀渐变流伯努利方程进行水面线计算,并通过控制断面水位、所依据基础资料的可靠性、水力要素的合理性、调查水面线趋势等方面对计算成果进行合理性分析。结果表明:水面线的分析计算成果与调查水面线趋势相符,成果合理可靠,可为该河段河道治理等防洪工程建设提供设计依据及参考。     

驼峰堰堰后收缩断面水深计算的研究

文中通过典型算例,用泄水建筑物下游收缩断面水深计算公式计算驼峰堰堰后水深时,发现取流速系数Φ=1的常规计算方法所得结果与实际情况相矛盾的问题.针对这一问题,通过分析流速系数Φ代表的物理意义,采用不同取值进行计算;结合柱体恒定非均匀流渐变流的水面线原理,对不同的计算结果进行深入分析,选取出了符合算例的计算结果;总结出了驼...     

梯形渠道恒定渐变流水面线计算的新解析法

对棱柱体明渠梯形断面下的恒定非均匀流沿程水面线进行深入研究,基于恒定渐变流基本微分方程,通过对该微分方程无量纲化,采用数值分析理论,得到由简单双曲函数组成的新等效恒定渐变流基本微分方程;通过变量分离,直接积分得到流程S与始、末段水深h1,h2的解析函数;通过该解析函数可直接计算出沿程水面线。该方法比《溢洪道设计规范》中推荐的分段求和试算法更简单、便捷,特别对水深较敏感段,规范推荐试算法误差较大,并且逐段试算推求水深将导致末端断面水深误差逐步累积,导致误差增大,精度下降。最后通过工程实例计算比较得出:新解析法计算成果与规范推荐法(程序)计算成果基本一致,对于渠长较长时新解析法成果甚至优于规范推荐的分段试算法,完全满足工程实践要求。     

溢洪道阶梯陡槽段水深试验与计算探讨

在坡度i=1∶2-1∶6的的陡槽溢洪道外凸式阶梯消能工水力模型试验基础上,对不同阶梯体型的陡槽段水力特性进行研究探讨。根据阶梯陡槽段泄流特性,将阶梯陡槽段泄流分为光滑水流和掺气水流两区段,并将掺气水流区段又分为不均匀流段、准均匀流段、末级阶梯至陡槽末端不均匀流段等三个流段。该文提出了阶梯陡槽段各区段和流段水深的计算公式,其研究成果可供溢洪道阶梯陡槽段沿程水面线和消能计算参考。     

HEC-RAS在津桥湖水库溢洪道水面线计算的应用

溢洪道水面线的计算是设计溢洪道的边墙高及边墙稳定计算最基础资料,对于水库大坝运行安全至关重要。传统能量方程分段求和法溢洪道水面计算不能直观的反应水面线,而且计算比较繁琐,费时费力。与传统溢洪道水面线的计算相比,HEC-RAS软件作为一款现行河道水面线计算中广泛应用的软件,在水库溢洪道水面线计算的应用也逐渐被推广。     

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。     

溢洪道阶梯陡槽段水面掺气位置试验与计算探讨

外凸型阶梯式消能工是应用于溢洪道陡槽段上的一种新型的辅助消能工。目前溢洪道陡槽段外凸型阶梯式消能工已在水利工程中得到了应用,但对此类型阶梯式消能工水力特性的研究成果仍较少。本文在5种坡度比和不同阶梯体型(包括阶梯高度、阶梯间距等参数)的阶梯陡槽溢洪道水力模型试验研究的基础上,对溢洪道阶梯陡槽段水力特性进行研究探讨,分析了陡槽段坡度比、阶梯跌坎体型参数等对溢洪道陡槽段泄流流态的影响,并将阶梯陡槽段泄流分为光滑水流区和掺气水流区两部分,提出了外凸型阶梯陡槽段水面掺气断面位置和水深的计算公式。本文研究成果可为溢洪道阶梯陡槽段沿程水面线和消能计算提供参考。     

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.     

台阶式溢洪道水流能量特性的研究

为了研究台阶式溢洪道上水流能量特性,对坡比1:1.25不同台阶高度的台阶溢洪道进行模型试验,试验结果表明:台阶溢洪道上总水头沿程急剧降低;水流比能表现出沿程先增大后达到稳定值的规律;水流比能的变化决定总水头的变化,比能稳定值越小说明台阶溢洪道的消能效果越好。通过无量纲分析得出稳定比能与相关影响因子的2个无因次参数,结合试验和相关文献对2个无因次参数拟合,表现出良好的幂函数规律,相关系数为0.994 9~0.997 2。同时得出计算剩余能量和台阶溢洪道总消能率的经验公式,为相关设计提供参考。     

台阶式溢洪道相对流速和相对消能水头的关系

流速和消能水头是重要的水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。将台阶式溢洪道流速、消能水头与对应光滑溢洪道流速、消能水头对比,引入相对流速、相对消能水头的概念。通过对0.5,1.0,2.0 m 3种不同台阶高度,38.66°坡度的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了流速、消能水头,相对流速、相对消能水头之间的关系。结果表明:非均匀流流态下流速、消能水头呈曲线关系,不便分析应用;相对流速和相对消能水头表现出良好线性关系,相关系数0.973 7~0.995 9,证实了引入相对流速、相对消能水头的必要性。     

台阶坝面消能水气两相流数值模拟

 采用VOF法模拟自由表面,用非结构网格来处理复杂的边界形状,并根据边界形式进行适当的分区,利用k-ε气液两相流模拟光面和台阶溢流面的流场,得到了溢流面的流场、水面线以及消能率等相关水力参数。数值模拟试验结果表明,台阶溢流坝面水流紊动掺气充分,消能率较高,并与物理模型试验结果进行对比分析,二者吻合良好。     

台阶溢流坝过流掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀问题进行了分析研究。结果表明,利用表孔宽尾墩+台阶面的过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题,台阶面水流近底掺气浓度最小在5%以上。高坝试验结果还表明,坝高增加20 m,台阶面水流掺气浓度沿程分布规律不变,即该掺气减蚀方法应用范围可推广至坝高131.0 m的台阶溢流坝。     

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。