不同组合连接体形下旋流式竖井水力特性试验研究

通过物理模型试验和理论分析相结合的方法研究了不同组合连接体形下旋流式竖井的水力特性,总结出竖井涡室内的4种典形流态,其中,自由旋流流态最适合于旋流式竖井.通过进一步研究进口体形和消力井深度对流态和消能率的影响,得出折流角变化对消力井侧壁及底板压强影响不大,消力井边壁及底板均不会出现负压;流量的增加会减小消能率,折流角和...     

竖井旋流泄洪洞消力井深度对竖井消能率影响的数值模拟研究

在竖井旋流泄洪洞中,下挖消力井深度对竖井消能率有较大影响,但在工程中关于消力井合理设计深度的参考资料比较少。运用数值模拟方法,对竖井旋流泄洪洞不同竖井高度和消力井深度竖井消能率进行研究,可为消力井的合理应用提供依据。研究结果表明:应用消力井会使竖井的消能率增加,当竖井高度为50 m~110 m时,随消力井深度增大,竖井消能率变化趋势为先增大后减小;当竖井高度大于120 m时,消力井对竖井消能率影响较小,竖井消能率只有较小增加。更多还原     

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。     

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。     

水垫塘冲击区掺气浓度对脉动压强作用的试验研究

采用水工模型试验,研究泄流进入水垫塘后在水垫塘底板冲击区内掺气浓度对脉动压强的作用。通过改变掺气量,使水垫塘内水体的掺气浓度发生变化,开展不同的掺气浓度对水垫塘冲击区底板脉动压强影响的研究。结果表明:在保持水垫深度和泄流流量不变的情况下,增加掺气量,水垫塘冲击区同一测点水体掺气浓度值随掺气量的增加而增加。水垫塘冲击区内掺气浓度分布规律为在冲击点处达到最大值,由冲击点向上、下游递减;冲击区底板总动水压强的峰值随掺气量的增加而降低;脉动压强的方差值随掺气量的增加而减小,即脉动变幅减小。脉动压强的概率密度分布为正态分布,分布曲线随掺气量的增加而变陡、变窄,脉动强度系数分布集中,即方差变小,压强峰值减小,脉动强度减小。同一测点脉动压强的频谱分布规律一致,其优势频率集中在低频范围,随掺气量的增加,脉动幅值降低,即脉动压强降低。     

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。     

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。     

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。     

旋流式竖井底部消能区压力特性研究

旋流式竖井主要利用水流的螺旋运动和底部消能区消能,是一种较为新型的泄洪消能工,但在高水头、大流量条件下,旋流式竖井泄洪洞内水流流态复杂,底部消能区承受较大压力,对结构安全形成严峻考验。通过1/30模型试验与理论分析的方法研究在不同深度下底部消能区侧壁及底部的压力特性,并针对环状水跃位置不易确定的问题提出一种新的思路确定底板的冲击压力,给出底板最大冲击压力的计算公式。结果表明:旋流式竖井底部消能区侧壁压力与井深关系不大,随流量同步增减,则控制侧壁结构的因素是大流量时的压力;各体形下侧壁压力最大值均出现在竖井侧壁最低点,随着竖井深度加深,最大时均压力呈增加趋势;通过拟合的底板最大冲击压力公式,建议竖井深度与直径比大于1.2。     

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。     

跌坎式底流消力池边墙突扩宽度对池长的影响研究

对于山区峡谷,底流消能工长度方向工程布置往往受限。通过水工模型试验,研究跌坎深度10cm,跌坎式底流消力池边墙突扩宽度变化时,池内水流流态、底板时均压强及脉动压强不均匀系数的变化对消力池池长的影响。成果表明:流量Q=12L/s,相对于传统的底流消力池,突扩宽度由5cm依次增加到10、15、20cm时,消力池池长缩短长度分别为24、27、29cm。     

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。     

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。     

放水塔消能井尺寸优化试验研究

为保证放水塔内消能井在结构安全的情况下消能效果最好,通过模型试验研究消能井不同尺寸对底板压强、底板脉动特性及其他水力参数的影响,以放水塔的直径D_0为衡量标准改变井深或井径,分别在井深H_0为0.5D_0、0.77D_0、D_0、1.5D_0和井径D为D_0、1.33D_0、1.67D_0的情况下进行研究。结果表明:随着消能井深度和直径的增大,底板时均压强逐渐减小且分布趋于均匀,脉动压强频率峰值越低,越有利于结构稳定,消能效果越好。兼顾结构安全和施工成本对消能井尺寸进行优化,其合理的尺寸为H_0/D_0=0.77、D/D_0=1.00或H_0/D_0=0.50、D/D_0=1.33。     

溢流面板坝泄流脉动压强特性及其概化设计

依据模型试验观测的数据,对溢流面板坝泄槽的脉动压强特性进行了分析,结果表明:设有多道叠瓦形掺气槽的溢流面板坝泄槽,底板上的脉动压强和脉压系数沿泄槽顺流向下以波峰和波谷交替的形式出现;脉动能量主要集中在低频区内,出现的脉动压强谱密度主要有低频窄带和具有低频优势分量的宽带噪声谱两种类型。为便于对近似泄流条件下同类型泄槽脉动压强的效应进行分析与估算,提出了溢流面板坝泄槽脉动压强谱密度概化和脉动压强时域荷载的构造方法。     

平底水垫塘透水底板下表面脉动压力试验研究

基于模型试验结果,研究了平底水垫塘透水底板下表面的脉动压力特性,分析了不透水底板及透水底板不同开孔率情况下的下表面脉动压力的分布规律、概率特性以及互相关特性和频谱特性。分析结果表明：在水舌冲击区,脉动压强系数随着开孔率的增大而增大;互相关系数随着开孔率的增加而略有减小,其旋涡保持性有所降低;透水底板较不透水底板下表面的脉动能量更加集中于低频。     

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。     

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。     

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。