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。     

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。     

出口消能段的水力设计

溢洪道水流落差的主要部分转化为陡槽末端的动能,即加大了流速。高速水流对下游河床、岸坡或建筑物会造成冲刷破坏作用。为了减小冲刷,维持水利枢纽安全渡讯,必须采取有效的措施来消杀集中下泄水流的余能。     

悬栅消能工水力特性研究

对新型悬栅消能工流场的测试，揭示了悬栅流场的水流流态、流速分布、水面线形态和压力分布等水力特性。测试分析表明，随着过水流量、悬栅栅条悬置高度、悬栅栅条间距及悬栅栅条断面形状的改变，其水力特性也随之发生变化，并直接影响着悬栅的消能效果。运行实践证明，悬栅消能工消能效果好，造价低。     

泄流水工建筑设计体型对结构水力消能影响特性研究

为研究苏北淮安水利枢纽工程中阶梯式溢流面设计体型,利用Fluent开展了不同水平坡度方案下的溢流面渗流场对比分析。过渡段阶梯体型水平坡度对溢流面流态分布影响较小,但过渡段阶梯水平坡度愈大,则溢流面气相空腔分布范围愈大。过渡段阶梯水平坡度愈大,愈有利于消能池内水能囤积,消能池内流速愈低,坡度20°、30°断面上流速较10°时具有差幅16.0%～67.4%、27.6%～98.6%。坡度愈小,紊动能分布愈分散,且紊动能愈低;坡度30°下过渡阶梯段紊动能增长最高,且消能率最大,达60.28%。综合渗流场特征,溢流面过渡段阶梯体型的水平坡度30°时泄流降能减冲效果最显著。     

通气对水平旋流内消能泄洪洞水力特性的影响

 通过模型试验,研究了水平旋流条件下通气对水力特性的影响,结果表明,通气对流态、泄流量、壁面压强和空腔内的气体压强均有较显著的影响。通气时,环流空腔的直径增大,流动稳定;随通气孔直径的增大,泄流量和通风量均先增大然后减小,具有最大值,且环流空腔内的负压值迅速减小并趋于零;不通气或通气孔的直径较小时,负压值较大,壁面压强也较大,这与通常的认识不同;随下游水位的升高,在下游洞口临近淹没时,通气量达到最大。     

齿墩内流消能工的水力及消能特性试验研究

齿墩是用于有压管道中的一种新型内流消能工,为了分析其水力特性和消能效果,通过物理模型试验,对体型优化后的齿墩内流消能工进行了研究。结果表明:3种面积收缩比齿墩内流消能工时均压强在齿墩段上游很稳定,在齿墩进口压强突然急剧降低并在距齿墩进口处降到最低,随后压强升高,在齿墩下游较远处趋于平稳。齿墩内流消能工的面积收缩比小时,时均压强降幅大,流量系数较小,过流能力也小;3种面积收缩比方案的水头损失系数在流量增大到一定程度后不再发生明显变化,当齿墩内流消能工的面积收缩比小时,水头损失系数降幅小,但水头损失系数的值大;当齿墩内流消能工的面积收缩比小时,其消能率大,消能效果最好。     

不同体型过渡阶梯对联合消能工水力特性的影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能方式在宣泄高水头、大单宽流量时出现坝面掺气不充分及空化空蚀问题。该文通过水工模型试验,对比分析三种过渡阶梯与阿海原型工况共4种方案下,掺气空腔、台阶面负压及沿程时均压强等水力特性。试验结果表明:各方案的最大负压均出现在首级台阶立面,方案三由4个25 mm×18.75 mm(高×宽)台阶组成的过渡阶梯产生的最大负压最小,为-0.11 kPa,比原型方案由6个16.67 mm×12.50 mm(高×宽)台阶组成过渡阶梯产生的最大负压减少了0.19 kPa,比方案四由3个33.33 m×25 mm(高×宽)台阶组成的过渡台阶减少了0.08 kPa。从消能方面看,方案三的消能效果最佳,消能率为63.19%,比方案二的消能率62.38%增加了1.3%,比方案四的消能率63.03%增加了0.25%。因此,适度增大过渡台阶尺寸,有利于阶梯面与挑射水流之间形成足够、稳定的气体空腔,减少台阶面负压,相应地提高了消能效果。     

阶梯面坡度对一体化消能工水力特性影响的试验研究

一体化联合消能工是我国高坝建设中常用的消能形式,对其结构设计进行研究具有重要的理论意义和工程价值。文章以猴山水库大坝为例,通过模型试验的方式研究了一体化消能工阶梯坡面坡度对水力特征的影响,结果显示增加阶梯面坡度可以在一定程度上提高消能效果,但是随着坡度的增加,其提升作用较为有限。因此,在工程设计中应该综合施工难度和成本等因素,确定合理的阶梯面坡度。     

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％。     

台阶式消能的水力特性及计算

介绍了台阶式泄槽的水力特性及特点，引进了经试验拟合或理论推导的3种计算台阶式泄槽消能率的公式及图表，并通过实例进行对比分析，表明台阶式泄槽可将势能大量消耗在顺台阶下泄的过程中，从而减小了下游消力池的长度和深度，为一个较好的有发展前途的消能方式。     

下游水位对水平旋转内消能泄洪洞水力特性的影响

通过试验研究与分析,发现下游水位对水平旋转内消能泄洪洞的各种水力特性均有较大的影响,且均与环流内空腔压强P0的变化有关。随下游水位的变化,洞内可能出现不同的流态区。在一定的下游水位范围内,泄流量具有最大值。通气孔的通风是由于两种完全不同的机理所致：在相对下游水位等于1左右,通风量变化急剧且具有最大值。空腔直径随下游水位的降低而增大,并趋向于常数,随下游水位上升而减小并趋向于零。在较高的上游水位时,壁面压强随下游水位的上升呈幂指数增大或线性增大;在相对下游水位等于1左右,不同的上游水位时消能率几乎为常数,但在相对下游水位大于1后,下游水位的增大会导致消能率较大的衰减。     

阶梯溢流坝面坡度对一体化消能工水力特性的影响

为探求高水头、大单宽流量下坝面坡度对一体化消能工水力特性的影响,以阿海水电站为原型,采用三维k-ε双方程紊流模型,引入水气两相流VOF计算方法,利用几何重建格式来迭代生成自由水面,对1∶0.80、1∶0.75、1∶0.65三种阶梯面坡比进行数值模拟研究。结果表明:①最大负压值均位于首级阶梯立面凸角下1/4附近,并随坡度增加而增大。坡度为56.98°时,最大负压值为61.02 kPa,超过了6×9.81 kPa。②水流空化数在宽尾墩水舌出口位置出现最小值,空化数随坡度变陡而减小。坡度为56.98°时,空化数最小为0.358。坡度为51.34°时,空化数最大,为0.381。③随着阶梯溢流坝坝面坡度变缓,消力池最大临底流速增大。当坡度为51.34°时,消力池最大临底流速最大,达到26.84 m/s,超过了25 m/s,易发生冲磨破坏。当坡度为56.98°时,消力池最大临底流速最小,为24.00 m/s。消力池尾坎前最大临底流速随坡度增加而减小,坡度为56.98°时最小,为9.63 m/s;坡度为51.34°时,消力池尾坎前最大临底流速最大,为9.96 m/s。④坡度的变化对一体化消能工消能率的影响不大,坡度从51.34°增加到56.98°,消能率只提升0.15%。     

杨城子灌区井式消能工

这里介绍的井式跌水位于公主岭市杨城子灌区一引干渠道上．这座井式跌水主要与农道交叉，并因地形关系，渠底高程须降低1．4米，即需要修建一座跌水工程．这座建筑物的最大设计流量为4米3／秒，渠底宽1．8米，上、下游水深均为1．4米，渠道边坡为1：2。农道路面高程与上游渠底相平，原设计方案采用过去一般参考书上的通用型式，当时已备料开工，检查时发现，该方案须抬高路基2．5米，需要大量回填土方，该处取土比较困难，又是农村主要交通道路，因路基高、坡度陡，行车难度也比较大。同时，根据在省内、外调查，直跌式跌水存在的问题也比较…     

软基水闸消能防冲水力特性研究

软基水闸的泄洪水流条件较复杂,水闸下游河床的抗冲刷能力较低,其泄洪消能防冲是工程设计和运行极为关心的问题。结合广东省地方标准——《软基水闸消能防冲设计规程》(DB44/T 2143—2018)的水力设计内容及相应的试验研究成果,对水闸消能设计的下游河道初始水位选取、消力池(尾槛顶高程、池深、池长)及下游海漫的布置和计算进行了分析和说明,较完整地介绍了水闸下游消能防冲的水力设计方法,研究成果可供水闸工程设计和运行管理参考。     

梯形开口节流片消能装置水力特性研究

采用在管道增加梯形开口节流片的方式,使高压水流形成螺旋流,达到消能减压的目的。研究了梯形开口节流片消能装置沿程水头变化、节流片在不同转角和雷诺数下的消能效率,结果表明:梯形开口节流片消能装置后压力明显降低,该部位为消能的主力区且有较好的消能效果;梯形开口节流片在相同开口情况下,消能装置的消能效率随节流片之间扭转角度的增大而增大,随主管道水流雷诺数的增大而增大;利用梯形开口节流片消能装置能有效消除管道中的多余能量,通过调节节流片之间的扭转角度来控制消能装置的消能效率是可行的。     

窄缝消能工水力特性对比分析研究

以某大型水电站为例,基于RNG κ-ε和VOF相结合的数值模拟方法,对不同方案的窄缝消能工下游水垫塘内流态进行了对比分析研究,并与试验结果进行了对比,吻合较好。研究结果指出:(1)体型Ⅰ(3股纵向水舌消能方案)和体型Ⅱ(2股横向水舌+1股纵向水舌消能方案)条件下水垫塘内流态具有一定差异,但对水垫塘底板的冲刷效果基本一致;(2)两种体型条件下底板冲刷均由2~#表孔泄洪导致,而1~#和3~#表孔泄洪主流受到两侧回流及水体顶托作用下潜深度较小;(3)水垫塘首部基本为静压区,水垫塘桩号0+280 m下游底板压力较大,为主流冲刷区,2~#表孔下游为冲刷重点防护区域,而1~#和3~#表孔泄流方式对水垫塘底板冲刷较小。研究结果可为窄缝消能工的设计方案对比提供借鉴。     

突扩边墙对扩散式泄槽底流消能水力特性影响研究

为了降低出口单宽流量,减轻下游消能压力,高水头泄水建筑物常在出口段设置扩散式泄槽。文章通过水工模型试验,研究在消力池一定跌坎深度、边墙不同突扩宽度下,扩散式泄槽跌扩型底流消能底板临底流速、时均动水压强以及动水压强峰峰值的变化规律。研究结果表明:消力池宽度从20cm(扩散式泄槽末端宽度)突扩至30cm时,底板临底流速、冲击区附近底板动水压强峰峰值最大,时均动水压强最低;消力池宽度突扩至35cm时,底板临底流速、冲击区附近底板动水压强峰峰值均明显降低,但底板时均动水压强有所增加;消力池宽度继续增大至40cm时,底板临底流速、动水压强等水力特性变化已不明显。     

过渡阶梯大小对一体化消能工消能特性的影响研究

由"宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池"组成的一体化消能工在现代高水头大单宽泄流量的水利水电工程建设中得到广泛的应用。基于阿海水电站,研究了WES曲面与阶梯溢流坝连接处的连接形式对该消能工水力特性的影响。采用水气两相流VOF计算方法辅以三维RNG k-ε湍流数值模型,对分别由12个0.5 m×0.375 m(高×宽)台阶、6个1 m×0.75 m(高×宽)台阶、3个2 m×1.5 m(高×宽)台阶以及2个3 m×2.25 m(高×宽)台阶组成的过渡阶梯进行三维数值模拟。研究结果表明:随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,溢流坝面最大湍流动能k逐渐减小,最大湍流耗散率ε逐渐增大,消能率也将逐渐增大;k及ε在消力池内分布规律基本一致,主要分布在消力池前端的底部和中部。由2个3 m×2.25 m(高×宽)台阶组成的过渡阶梯消能效果最好。     

连续跌坎型底流消能工水力特性的影响因素研究

通过大量的试验,测量了消力池底板压强分布规律、池内流态和流速分布,着重分析了入池水流单位重量水体能量、入池角度和跌坎高度的变化对消力池底板冲击压力、临底流速、池内流态及消能率的影响。研究表明,连续跌坎型底流消能工的跌坎高度与入池角度之间存在一种最优组合,可既保证消力池中消能率高,又能满足临底流速和底板动水冲击压力小的要求。该研究成果可为工程设计提供一定的科学依据。