低佛氏数水跃消能问题的近代研究评述

在很多水电站中,不论河床式水电站的溢流坝、泄水闸或者是引水道,底流水跃常被用来作为下游消能的一种有效措施.而这种水跃往往是低佛氏数的,例如引水闸或泄水闸的低堰上,或者大单宽中等高度的溢流坝下游的水跃均是跃前佛氏数小于4.5的低佛氏数水跃.对水跃的研究已有一个多世纪的历史,尤其是对于平底矩形水槽内的二元自由水跃,已取得了大量的试验资料和比较完整的可靠的水力设计方法.但对于低佛氏数水跃的消能机理研究还是从本世纪50年代开始的.低佛氏数水跃消能的显著特点是来流的泄水功率高而水跃消能率低,例如当Fr=2～5时,其时均消能率只有20～45%,这说明在水跃下游的水流中,还有大量地未被消散掉的余能(即紊动能和波动能)将造成跃后水流强烈的紊动和波动,需要流经一段距离后才能消失,给下游消能防冲带来较大的困难.因此,近年来国内外     

坎控底射混合流在新集水工模型中的试验研究

结合新集水利枢纽模型试验,针对其泄洪时水流佛氏数低且发生二次水跃的特点,在消力池尾部设置一定高度的跌坎后,水流过坎形成跌水与二次水跃的联合流态,即坎控底射混合流。通过对跌坎高度（共轭比）的试验比较研究了坎控底混流的运动规律、消能特性及其控制因素。试验结果表明,一次水跃后产生的坎控底混流能有效地改善下游流态及河床流速分布、提高消能效率,且在上下游水位差很小且佛氏数很低的条件下,共轭比对底射混合流的消能率大小起控制作用。     

封闭梯形渠道水流特性的数值模拟

为深入了解封闭梯形渠道的水流特性,以3m长封闭梯形渠道为例,采用雷诺应力紊流模型对不同糙率顶板的封闭梯形渠道水流特性进行了数值模拟,分析了影响其流速场和二次流形态的因素。结果表明,断面流速呈非对称的弓形分布,随顶板糙率的加大,最大流速点向渠底移动;由于受边壁和顶板糙率的影响,过水断面的二次涡流主要集中在固壁拐角处;壁面附近的紊动强度和紊动能耗散量均比较大;粗糙顶板的壁面剪切应力大于光滑顶板的切应力。     

低弗劳德数趾墩悬栅联合消能工数值模拟

针对低弗劳德数水流在消力池内极易形成弱水跃且水面大幅波动的问题,在低弗劳德数情况下,利用RNGκ-ε紊流模型,分别对趾墩悬栅联合消能工与单一悬栅消能工所处流场进行数值模拟,系统分析了水深沿程变化及流速分布规律,得到联合消能结构作用下消力池内部水流流态及过栅绕流涡旋分布。结果表明,联合消能工能增大回流区漩涡尺度,加剧水流卷吸掺混强度,大幅提高掺气浓度,迫使跃前断面向下游推移,相对推移比接近26%,淹没度下降约10%左右,从而显著降低陡坡水流脉动;悬栅附近涡群具有更强的漩涡运动,主、回流间紊动混掺加剧,增强了下泄水流能量耗散。研究结果为同类工程中解决消能防冲问题提供了新思路和参考依据。     

明渠水流紊动特性的LDV试验研究

在可变坡矩形玻璃水槽内,利用激光多普勒流速仪(LDV)测量了水流发展段内不同水深、不同断面的瞬时流速,获得了时均流速、紊动强度、雷诺应力沿水深的分布.试验结果表明,紊流发展段内与充分发展段内水流的紊动特性存在一定差异,但亦有一定的规律性.     

折坡扩散消力池水跃共轭水深计算方法及水跃长度、消能率分析

为了解折坡扩散消力池的水跃特性及相关参数、判别其消能效果,通过模型试验的方法对折坡扩散消力池水跃进行了研究,提出了共轭水深计算公式,分析了水跃长度、共轭水深比、消能率等相关水力参数及其变化规律。结果表明,在试验条件下,公式计算结果与实测值相比误差较小,精度较高;水跃长度与共轭水深比、佛劳德数均遵循正比例变化规律;水跃消能率与佛劳德数呈正比。     

海潮影响下低水头水闸消能结构优化研究

低水头水闸下游消能属于低弗劳德数水跃消能,容易发生波状水跃、消能不充分等消能问题,尤其在海潮影响下,水位变幅大,消能问题更加突出。为此,结合晋江滨海新区填海造地工程~#1水闸模型试验,针对原设计一级消力池容易形成波状水跃和消能率低的问题,提出了二级消力池的消能结构,并对消力池池长、池深、尾坎高程和辅助消能措施进行了综合优化。结果表明,优化后的二级消力池消能结构,改善了水流流态,提高了消能率,研究结果可为类似工程借鉴参考。     

底流消能工水流结构与掺气浓度分布试验研究

底流消能工中水流紊动剧烈、大量掺气,面临着空化空蚀问题。为研究底流消能工气体迁移扩散运动与水流结构相互作用机理,采用水力学试验开展研究,对底流消能工进行水流结构划分,通过调整流量与尾坎高度,改变入射Fr数及跃后水深与跃前水深比,分别测出消力池内掺气浓度值,并分析数据研究水流结构区气体的运动机理,得到消能工内掺气浓度分布规律。结果表明,掺气浓度随Fr数的增大而增大,随跃后水深与跃前水深比的增大而减小;各水流结构区掺气浓度沿程衰减,纵向衰减速率附壁射流区射流扩散区稳定区;横断面掺气浓度呈"双钟形"分布规律;竖向掺气浓度附壁射流区变化曲线呈凹型递增、射流扩散区先增后减、稳定区递减规律。水流结构区交界处形成气体交换带,是气体发生交换的主要区域,掺气浓度在气体交换带处达最大值。该研究可供底流消能工的防空化空蚀参考。     

S型水跃局部水头损失系数与跃后水深计算方法

鉴于水跃跃后水深作为消力池体形设计的重要参数,通过建立水跃区跃前和跃后断面的能量方程,分析了突扩式消力池S型水跃局部水头损失系数和共轭水深比的变化规律。研究发现,S型水跃相对局部水头损失系数是跃前断面弗劳德数函数,并随着弗劳德数的增大而增大;相对局部水头损失系数随跃前断面弗劳德数的变化规律既可用线性公式表示又可用乘幂公式表示;水跃共轭水深比是跃前断面弗劳德数和消力池突扩比的函数。通过能量方程求解的S型水跃跃后水深公式具有较高的计算精度和较好的通用性,且能作为矩形明渠水跃共轭水深的求解公式。     

超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞消能机理数值模拟研究

鉴于传统模型试验对竖井内旋转水流的流速测量难度较大,采用Realizableκ-ε双方程紊流模型,并结合VOF法,对某一超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞进行数值模拟,对比分析了水流流态、空腔直径、井壁压强及旋流角等水力要素的模型试验和数值模拟结果,在此基础上,计算了不同断面的能量大小,获得了竖井旋流泄洪洞各部位的消能形式及消能率分布。结果表明,竖井起始部位主要消去旋转水流的切向动能,占总能量损失的6.19%;中间部位主要消去旋转水流的位能,占总能量损失的21.18%;下半部位利用环状水跃及水垫池消去旋转水流大部分的剩余能量,占总能量损失的58.69%。     

丹尼尔式鱼道内水流紊动特性试验研究

鉴于鱼道内紊流状况是影响鱼类能否顺利通过的重要因素,为提高丹尼尔式鱼道内过鱼效果,通过物理模型试验,分析了鱼道在不同工况下的水力特性,并重点研究了水流的紊动特性。结果表明,池室中的流场具有明显的主流区和回流区;横向u、纵向v、垂向w紊动强度分布形式大致相同,由紊动强度较大的主流区向回流区扩散（由主流区向回流区逐渐减小）;在xy平面上,雷诺应力随离边墙的距离增大而减小;水流通过隔板跌落处紊动能达到最大值,并沿程减小。     

角木塘水电站消能措施优化研究

以角木塘水电站的泄水建筑物（溢流堰和消力池）为研究对象,对原设计尺寸下溢流堰发生严重淹没水跃、消力池消能效率低下的问题,采用水工模型试验观测流态、测量流速、水深等特征值,计算水流收缩断面处的佛氏数和消力池的消能效率。据此提出修改泄水建筑物体型、调整消力池长度和增设辅助消能工等优化措施,从而提高了泄水建筑物的消能效率     

基于竖缝式鱼道的鱼类上溯试验研究

为分析影响鱼类上溯的影响因素，基于竖缝式鱼道对19～27 cm体长范围内的鲫鱼开展连续上溯试验。通过物理模型和数值模拟相结合的方法，对鲫鱼上溯过程的位置与数值模拟得到池室内部的流速场和紊动能叠加分析，得到鲫鱼上溯所喜好的流速范围。试验结果表明，体长为19～27 cm的鲫鱼上溯所喜好的池室流速范围为0.091～0.524 m/s,试验中水流的紊动能最大值为0.035 6 m²/s²,小于0.050 m²/s²,属于低紊动能区，适合鱼类上溯，鱼类在上溯过程中会寻找流速和紊动能低的地方进行上溯。研究成果可为其他鱼类上溯提供参考。     

含天然沉水植物明渠紊流特性研究

鉴于研究含植物水流的紊流特性对河流治理及湿地恢复的重要意义,在大结构混凝土水槽中,以天然沉水植物狐尾藻和菹草为试验植物,利用三维超声波测速仪（ADV）测量含植物段水流,对5种工况下明渠紊流特性进行了研究。结果表明,含沉水植物水流时均流速垂线分布呈C形;植物密度较高时,紊动强度值相对较大且不同种类的植物对其影响趋于一致,低密度时紊动强度值相对较小,但垂线分布之间差异较为明显;植物密度越大脉动流速均方根值越大,同时紊流表现出明显的各向异性;雷诺切应力受种植密度及植物种类共同影响。     

基于PIV技术的阶梯溢洪道流场和涡量测试

鉴于阶梯溢洪道流场和涡量场分析对其消能特性的研究非常重要,利用粒子图像测速技术(PIV)测试了阶梯溢洪道滑行水流的二维流速场和涡量场,并分析说明了模型装置、仪器测试区域和相应参数设置。通过处理粒子图像获得模型水面线,验证了模型的水流流态为滑行流;从~#3～~#5阶梯的流速等值线分布特征得到阶梯滑行主流沿水深方向的流速变化,台阶凹角内旋滚水流的流速和转动周期;从~#3～~#5阶梯的垂直涡量场等值线分布,得出阶梯溢洪道滑行流态旋转水流产生的原因和运动方式,验证了阶梯溢洪道水流紊动耗散的主要原因;并通过计算阶梯消能率,说明了试验模型的消能效果。对PIV技术用于其他消能工消能特性的研究提供了参考。     

岛屿地貌单元的湍流能耗物理模型试验

岛屿地貌单元是珠江三角洲发育演变过程中的沉积核心,研究其消能机制,对理解河口动力过程及三角洲发育演变有重要意义。通过建立岛屿地貌单元的湍流能耗特性概化物理模型,基于16 MHz ADV采集高频流速数据,统计了时均及湍流特征量,并利用惯性耗散法分析了岛屿地貌单元的湍流动能耗率。结果表明,相同控制条件下岛屿地貌单元的形态阻力致使尾流中紊动强度量值为明渠的2~3倍,湍流剪切应力及湍流动能较明渠水流的大近1个数量级,湍流动能耗散率比明渠水流湍流动能耗散率大1~2个数量级。岛屿地貌单元的局部形态阻力导致尾流时均流速的空间梯度、切应力增大是湍流能耗率增大的原因。岛屿地貌单元的汇流作用增加了下游尾流区的水流掺混,并在尾流区域形成大量微尺度涡,导致区域湍流能耗作用增强,有利于岛屿沉积核心发育。研究成果有助于理解河口动力及三角洲的发育演变过程。     

双侧竖缝式鱼道水力特性三维数值模拟研究

鉴于双侧竖缝式鱼道消能效果好,能较好地适应水位的变化情况等优点,以新沟河江边枢纽的双侧竖缝式鱼道为例,采用三维紊流数值模拟方法研究了鱼道的正反双向两种运行工况,分析了鱼道的流态、流速及紊动能等水力特性。结果表明,双侧竖缝式鱼道水流流态较为稳定,且呈对称分布,流速和紊动能总体来说较小,基本满足过鱼对象的需求。另外,适当延长短隔板还能很好地减少鱼道竖缝最大断面平均流速,从而实现更好的过鱼效果。     

低弗劳德数水跃的水跃长度计算方法

低弗劳德数水跃具有消能率低、稳定差等特点,其水跃长度除了需考虑首部旋滚区外,还需要考虑后部波动区长度。基于12个适用于低弗劳德数水跃长度的计算公式,利用Hughes的模型试验结果对比各公式的差异性,分析获得产生差异的主要原因在于是否考虑跃后波动区长度和波动区长度判断标准。然后以Fr1为2.5～4.5作为控制边界,进行了7组水槽试验并提出波动区长度的判定方法。研究表明,朱荣林公式与水槽试验结果符合较好,可用于计算水跃长度;得出了考虑波动区后水跃长度与旋滚区长度之间的函数关系,为实际工程设计提供了指导。     

低弗劳德数宽尾墩多级消力池三维数值模拟

低弗劳德数二元水跃消能效率低,当无尾坎消力池受地形限制,其长度较短且下游水位较低时水跃无法稳定在消力池内,消力池下游护坦承受较大冲刷压力,甚至护坦出口水流余能对下游河床造成严重冲刷。对此,提出采用宽尾墩联合尾坎消力池来改善消能效果,并采用RNGκ-ε紊流模型结合自由面追踪的VOF方法对宽尾墩联合尾坎消能工的水流流场进行三维数值模拟,通过宽尾墩与平尾墩、设置尾坎与不设置尾坎的综合对比分析得出,采用宽尾墩联合尾坎消能工的消能体型可有效调控水流并提高水流的消能效率,明显改善消力池内水流流态,有效减少对护坦及下游河岸冲刷。研究成果可为类似工程提供借鉴。     

导流条长度对管道双车车间断面水力特性的影响

导流条对水流具有较强的导向作用,对管道内水流流态影响较大。为探究筒装料管道运输中导流条长度对管道双车车间断面水力特性的影响,通过物理试验和理论分析研究车间断面的流速场和涡量场。结果表明,水流经导流条后由稳定管流变为螺旋流,导流条越长,轴向流速越小;周向流速随着导流条长度的增加而增加,其大小与轴向流速为同一量级;径向流速的分布比较紊乱,在轴心处大部分为负值,在管壁处大部分为正值;断面平均涡量随导流条长度增大而增大,涡量大小关于中轴线对称分布,但方向相反。