高坝施工导流洞改建为旋流竖井式泄洪洞的水力特性研究

为了研究旋流式竖井泄洪洞的水力特性,结合某水利枢纽施工导流洞改建为旋流竖井泄洪洞水工模型试验的部分研究成果,通过大量的优化试验研究,分析了竖井涡流消能工况的流态、压力分布、流速分布、消能率等水力特性.试验研究结果表明,这种旋流竖井式泄洪洞消能效率可达88%以上,涡室与竖井的水流流态比较平顺,压力分布合理.所得结论为旋流竖井泄洪洞的设计提供了依据,可为类似工程参考.     

非完全宽尾墩消能机理数值模拟

为研究一种联合消能结构——非完全宽尾墩、消力池和梯形墩相结合的结构在低Fr数下的消能机理,采用模型试验和数值模拟方法对河南省出山店水库泄洪表孔进行研究.数值计算所得水面线与模型试验所测结果吻合良好,说明数值模拟的可靠性.通过对宽尾墩和平尾墩消力池内部流场的对比分析,得到非完全宽尾墩提高消能效果的机理:非完全宽尾墩能使水流横向扩散的空间增大,增强消力池首部水流的立轴旋滚;消力池内存在较大的横向速度梯度,产生剧烈的紊流剪切和横向流动.相对于平尾墩消力池,宽尾墩消力池能较好地控制出池水流的流速及流态,减少下游河岸冲刷,在设计时可以予以参考.     

高流速放空洞阶梯消能特性数值模拟

综合考虑阶梯布置型式、长度,利用3D紊流数值模拟方法,采用VOF方法跟踪自由水面,结合卡基娃放空洞工程的水力学模型试验,对放空洞泄槽段中布置不同型式和长度的阶梯方案,进行了数值模拟研究.研究结果表明,合理的阶梯型式和布设长度,可以改善水流流态,改善沿程的水流压力,显著降低阶梯下游水流流速,消能率随着阶梯布设长度的增加呈非线性增加,采用变长度和变坡型式的阶梯能更快地提高阶梯消能的效果.     

多股多层水平淹没射流的试验研究

从模型试验的角度，测量了消力池内底板压力分布规律、水面流态、流速分布和脉动压强，着重分析了泄水孔出口体型、表中孔高程、跌坎形式、表中孔间中隔墩长度等体型参数对流态稳定性、水力特性和消能率的影响，研究了消能机理。研究表明，该新型消能形式具有流态稳定、适应性强、低雾化、高消能率的特点。结合某实际工程，提出中孔泄槽以等宽或微收缩为宜，表中孔最优坎高差应大于中孔水流的主流水深、延长隔墩有利于稳定水流流态等建议，为工程设计提供了科学依据。     

出山店水库泄水建筑物消能工优化试验研究

出山店水库泄水枢纽校核工况最大单宽流量达到121.7m3/s,是典型的低水头、大单宽流量泄水枢纽工程,消能防冲问题突出.采用整体水工模型试验,比较研究平尾墩T形墩联合消能工的原设计方案和宽尾墩T形墩联合消能工的优化设计方案,对比分析了消力池、海漫内流速分布、出池坡顶流速大小、消力池消能率情况.试验结果表明宽尾墩T形墩联合消能工有效降低了出池坡顶流速,提高了消力池消能率,并且对泄水建筑物的泄流能力影响较小.试验说明本工程中运用宽尾墩T形墩联合消能工消能防冲效果良好,优化设计方案为解决消能防冲问题的合理方案,该结论为工程设计提供了有力的依据.     

泄洪闸三维流态CFD优化分析

采用最新CFD方法对具体工程泄洪闸水流流态进行模拟分析.先给出了数学模型和计算方法;然后结合模型实验成果,用CFD详细分析了泄流能力与水面线、压力、流速等流场参数的规律性,弄清了不良流态的原因;进而提出加大侧墙弧度以消除吸气漩涡及加大孔口断面避免脱流的措施,通过3个方案对比分析验证了其效果,并得出最佳方案的泄流能力、进水口流态及泄槽内流态、压力和速度的分布规律.     

淹没型旋流竖井泄洪洞流态过渡的数值模拟研究

旋流竖井泄洪洞的工程技术难题之一是：高尾水位淹没出流时的泄洪洞排气难, 出口易发生气爆。对此,本文采用数值模拟的方法,结合某泄洪洞工程开展了相关的研究,获得了各个流段不同的水流流态、流速、压强以及消能率的沿程分布和特性,计算结果与实验结果符合良好。分析了水流由强紊动掺气状态过渡到有压流动状态的转换机制及其对结构的影响,研究表明,泄洪洞内水平段可分为掺混消能区、气泡逸出区、气体排出区和平稳流动区,其中掺混消能区是消杀能量的主要区域,该新型旋流竖井泄洪洞在淹没条件下,气体能够顺利排出,流态转换平顺,压强分布平稳,可为类似工程参考。     

基于准自由涡分布的阻塞旋流泄洪洞流场分析

为解决高坝泄洪建筑物亟待解决的高速水流问题,提出了新型的阻塞旋流泄洪洞。本文采用试验研究和理论分析相结合的方法,对该类泄洪洞在不同阻塞体型下的流态、泄流量、壁面压强、空腔直径、旋流角和流速等水力特性进行了研究,并在此基础上基于准自由涡分布理论对旋流流场进行了分析。结果表明,阻塞有利于改善旋流洞内流态,增大壁面压强,可大大减小空化可能性;阻塞使旋流空腔半径减小,旋流角增大,同时阻塞处水流急剧紊动,提高了水流消能率;阻塞可减小泄流能力是其不利之处。依据水流流动的形成机理分析和试验实测流速分布特点,基于准自由涡分布规律对切向流速进行了分析,得到了相关参数;建立了壁面压强、旋流角、空腔直径、泄流量与切向流速分布参数等水力特性间的关系式和相对轴向流速的计算表达式,并通过试验实测数据验证了旋流准自由涡运动规律的正确性。研究成果可为阻塞旋流泄洪洞的研究与应用提供参考。     

折流坎对竖井旋流式消能工涡室水力特性影响的数值模拟研究

竖井旋流式消能工具有结构简单、布置灵活、无明显雾化以及消能率高等诸多优点,近年来被广泛应用于各种中小型水利工程.竖井旋流式消能工具能够顺利运行的主要因素就是下泄水体在涡室内能够达到既定的起旋效果.采用物理模型试验以及数值模拟的方法,通过改变引水道的引涡比数值,使得入涡水流环向速度明显增大,平稳通过竖井段下落至底部消力井内.通过对涡室水流的流态以及整体结构消能率进行数据分析,结果表明：引涡比数值的增大与流量的增加均会使进入到涡室中的水流贴壁效果增强以及环向绕流流速明显增加,下泄水体不会对消力井产生冲击破坏;过大的引涡比会严重影响整个竖井旋流式消能工的过流能力,当引涡比在0.547附近时涡室内的水流流态较好,既能够使竖井内的水流沿边壁螺旋平稳下落,还能够使得涡室内进口处不发生明显的壅水进而影响整体结构的泄流能力,并且在该体型下的综合消能率最高.     

浅水垫消力池水力特性试验

为解决常规消力池临底流速大,流态不稳等问题,以云南省楚雄州青山嘴水库工程为例,通过水工模型试验,提出浅水垫消力池的体型;揭示了浅水垫消力池的水流流态、流速分布、水面线形态和压力分布等水力特性,并与常规消力池与下挖式消力池进行了对比。结果表明浅水垫消力池有利于降低消力池临底流速,浅水垫的存在改变了消力池内的水流流态,改善了池内水力学特性,消能效果显著。     

浅水垫消力池的大涡模拟研究

浅水垫消力池与常规消力池相比,消能效果更好,而且可以减小挖深和池长,经济效果显著。以往对浅水垫消力池的研究多局限于试验手段,本文采用大涡模拟方法对浅水垫消力池进行了数模计算。计算结果表明,在流态、流速、时均压力及脉动压力等水力参数上,数值计算结果都和模型试验结果基本一致,说明大涡模拟方法能较好地模拟具有复杂流动的浅水垫消力池的各种水力特性,可以采用该模拟方法深入研究该型消力池的水力特性及消能机理。     

微挑消力池的数值模拟与试验研究

针对微挑消力池,通过水工模型试验和3维RNGk-ε紊流模型数值模拟研究了此体型消力池的水力特性,计算结果显示其水流特性、水面线特征、流速及压力分布与模型试验结果吻合,同时揭示了微挑消力池不同于常规反弧平底消力池的特性。模拟计算与模型试验结果均表明,与常规反弧平底消力池相比,微挑消力池可以造成自入池段水流较强的紊动,降低临底流速,减小消力池底板冲磨破坏的可能。     

掺气分流墩与消力池联合应用消能机理分析与试验验证

采用附加射流水跃理论对掺气分流墩与消力池联合应用的消能机理进行了分析,并通过模型试验对理论分析及消能效率进行了验证.结果表明,采用掺气分流墩设施,可增进消力池的消能作用,并取得显著的经济效益,达到附加射流水跃理论所预期的效果.     

低Fr数非完全宽尾墩消能特性研究

为了在低Fr数底流消能中应用宽尾墩来增强消能效果,通过水工模型试验和数值模拟相结合的方法研究非完全宽尾墩的消能机理和消能效果。数值模拟的计算成果与水工模型试验成果吻合较好。研究表明:非完全宽尾墩对泄流能力影响很小,不会增大消力池底板脉动压力,且可以增加消力池内的速度梯度,达到附加消能的效果,即在提高消能率的同时,可以消除出池波状水跃。非完全宽尾墩布置方案对中小型水工枢纽布置有较强的参考意义。     

高坝下游水体中溶解气体过饱和问题研究

提出高坝下游水垫塘中总溶解气体(TDG)饱和度的计算与下游河道水体TDG饱和度的计算应采用不同的方法;并利用高速射流实验,及自行设计的产生TDG过饱和的实验装置,进一步分析了高坝下游水体中TDG过饱和的成因,找到了影响大坝下游TDG释放速率的主要因素.指出由于水垫塘中气泡被带入水体深处,使得水体存在溶解度梯度,溶解度沿着水深方向增加,深处水体能溶解更多的气体,在水流的紊动掺混下,高浓度的溶解气体被带入到较浅水深处,造成部分水体TDG过饱和.在没有掺气的条件下,过饱和溶解气体释放速率随着紊动强度的增大而增大,随着水深的增加而减少.     

某节制闸工程泄流消能试验研究

某节制闸工程设计方案在低尾水位开启泄流时,消力池中产生远驱水跃,消能效果差,水流出池后余能较大,下游河道冲刷严重.针对节制闸消能设计存在的问题,通过模型试验进行修改方案试验研究.经过不同方案的对比,确定消力池深度由原来的1.0 m加深到1.8 m,池长保持不变,同时在消力池中设置一排高2.0 m的梯形消能墩.该修改方案较好地适应了节制闸低尾水位开启泄流时的水流条件,提高了低弗劳德数水跃消能效率,降低了跃后二级涌浪的强度,消能流态得到改善.修改方案已被工程设计单位采用.     

大流量水电站表孔泄洪消能体型试验

大流量水电站的消能设计历来都是非常复杂和困难的.在1:60溢流坝表、中泄水孔断面模型上对密松水电站泄水建筑物的布置方案进行了泄流能力、流速流态、压力分布等相关水力学问题的试验研究,并通过10多个方案的比较优化,提出了基本可行的泄水建筑物体型和消力池型式.研究成果表明:表孔取消宽尾墩,采用跌坎式消力池方案,可有效降低底流消能时的池底板流速,同时消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象,达到了较满意的消能效果.试验成果对该工程设计提供了较好的参考方案,并对类似工程有很好的启发借鉴作用.     

平底渐扩式消力池深度的计算

研究平底渐扩式消力池深度的计算方法.分析前人对平底渐扩式消力池共轭水深和自由水跃长度的研究成果,利用动量方程推导渐扩式消力池深度的计算公式.分析认为,吴宇峰和华西列夫提出的水跃长度公式与实际比较吻合,而华西列夫公式偏于安全;侧墙反力用梯形轮廓和1/2抛物线轮廓计算水跃共轭水深与实测结果比较符合,而我国溢洪道设计规范给出的公式计算精度较差,且偏于不安全.得出了渐扩式平底消力池深度的计算方法和共轭水深计算的新公式,通过两个实际工程验证了公式的正确性.     

流场计算中自由表面的处理

本文针对水流计算中不规则边界和自由表面问题，从流日两相流理论出发，推导得出具有不规则边界时的紊流控制方程，引入通度概念处理不规则计算边界；采用ＭＡＣ方法的思路，直接从物质输运方程出发，推得流体体积输运方程，用ＶＯＦ法追踪随时间起伏的自由表面。利用所建立的数学模型计算了实用重力坝及其下游库式消力池中水流流场，并对一个收缩式消力池中三维水跃进行数值模拟。计算结果较好地与实验结果符合。