与宽尾墩联合使用的台阶面水流压强特性研究

 随着RCC筑坝技术的发展,宽尾墩与台阶面联合消能技术已先后在许多工程中得到应用。通过工程原型与模型试验资料的综合分析,对不同体型及使用条件下,与宽尾墩联合使用的台阶内部压强与总体压强分布规律进行了研究。研究结果表明：台阶内部压强分布规律及台阶总体压强分布规律主要与堰面使用的宽尾墩形式有关,台阶坡比对台阶面总体压强影响幅度较小,台阶高度几乎不产生任何影响。     

宽尾墩对官地水电站底流消能影响的试验研究

针对官地水电站进行了有、无宽尾墩的局部模型试验研究,从堰面及消力池内流态、消力池内水面线、堰面和消力池底板时均压强和脉动压强的沿程分布、消力池内临底流速沿程分布等方面详细地分析了宽尾墩对底流消能的影响。试验结果表明:宽尾墩改善了官地水电站底流消力池内的水流流态,能降低消力池底板上的时均压强和脉动压强,改善了跌坎下的流速分布和流速梯度,有利于解决官地水电站大落差、高流速、大单宽流量的泄洪消能问题。     

新型宽尾墩在索风营水电站的应用与研究

把宽尾墩应用到碾压混凝土台阶溢流坝面，形成“宽尾墩+台阶坝面+消力池”联合消能工，是我国科技工作者的一大创举。索风营水电站单宽流量达207m3/s·m，在应用台阶溢流坝面工程中属最大，经模型试验验证常规宽尾墩联合消能工已不能满足要求，于是提出了一种新型宽尾墩形式——X型宽尾墩，它继承了传统宽尾墩的优势，又拓宽了台阶坝面的消能作用。本文是“X型宽尾墩+台阶坝面+消力池”联合消能工在索风营水电站应用的水力特性研究成果的一部分。     

与宽尾墩联合使用的台阶面水流掺气问题研究

通过工程试验资料与原型资料的分析类比发现，与宽尾墩联合使用的台阶面近底水流，满足掺气减蚀进气量需要的空腔，必须是台阶初始段有6～8个台阶脱空的空腔，而形成这一空腔的堰面末端掺气坎高度既与坎型有关，也与宽尾墩型式有关。台阶高度对台阶面大单宽过流掺气浓度沿程变化影响很小，掺气浓度随台阶面坡比的变化比较明显，坡度越缓，沿程衰减越明显，同时掺气浓度随堰上水头增加而增大，堰面使用Y型宽尾墩掺气量最大，无墩时最小，使用X墩时，处于二者之间。与宽尾墩联合使用的台阶面大单宽过流掺气量可以满足减蚀需要，而无墩时掺气量不能满足需要。     

DG水电站表孔溢流面及宽尾墩设计试验研究

碾压混凝土坝的宽尾墩一体化消能工通常根据碾压混凝土分层高度和通仓碾压的施工特点采用台阶溢流面,而常态混凝土坝多采用光滑溢流面。在DG水电站的可研阶段对上述方案进行了比选,招标技施设计阶段采用大比尺模型对推荐碾压混凝土方案的台阶溢流面+X型宽尾墩的挑坎掺气空腔、台阶面掺气浓度等方面做了进一步的论证和优化。研究表明,台阶溢流面能够有效削弱X型宽尾墩下部开口水舌的动水垫作用和附壁效应,掺气效果及消能效果较好。     

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％。     

阿海水电站表孔X型宽尾墩消能技术初拟体型试验研究

根据已有工程经验,初拟了阿海工程表孔X型宽尾墩+台阶面+消力池的泄洪建筑物消能布置形式,通过水力学模型试验研究发现,宽尾墩对泄流能力影响很小,泄流量不但满足设计要求,而且还有小幅度的超泄能力。宽尾墩水舌分流合理,也能适应不同泄洪流量与消能要求。堰面及消力池底板压强分布基本满足工程结构要求。下游河道冲淤变化量很小,个别工况无任何冲淤现象发生。     

与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性

通过工程原型与模型试验资料的类比分析,结合台阶面水流流态特点,对与宽尾墩联合使用的台阶面水流近底流速特性进行了研究.研究结果发现,台阶面坡比及台阶高度对台阶面水流近底流速分布影响很小,近底流速随台阶位置在下游尾水中深度的增加而减小,在尾水面以上,近底流速沿程变化很小,其值仅与堰上水头和宽尾墩形式有关.堰面采用Y型宽尾墩时,台阶面近底流速为21.5～23.5 m/s;采用X型宽尾墩时,近底流速为19.5～21 m/s;无墩时,近底流速为16～19 m/s.     

用于大单宽泄洪台阶坝面上的一种新型宽尾墩

近年来，宽尾墩＋台阶坝面＋消力池的联合消能工形式,在工程中不断得到发展与应用，但这些工程单宽泄量均不大于200m^3/s.m。在乌江索风营水电站水工模型试验的基础上，为台阶坝面的使用提出一种新型宽尾墩－X型宽尾墩，用以取代传统宽尾墩，这种宽尾墩与台阶坝面，消力池联合使用，既发挥了台阶坝面的消能作用，使宽尾墩＋台阶坝面＋消力池这种综合消能形式能够推广到大单宽泄洪建筑物上，同时也为台阶式坝面的发展直到一定的促进作用。     

宽尾墩消能技术的工程应用与研究进展

宽尾墩作为一种适应于大单宽泄洪建筑物的消能技术,近年来先后在许多水利水电工程中得到应用,为了对其技术发展与研究情况进行总结分析,首先对宽尾墩消能技术及体型发展过程进行了回顾总结;其次对宽尾墩体型布置特点、以及与宽尾墩联合使用的坝面、台阶面体型、消力池体型及其相关水力特性等研究成果进行了总结分析;最后对宽尾墩消能技术应用有待研究的相关问题进行了简单说明。     

阶梯溢流坝和宽尾墩及消力池组合消能的水流数值模拟研究

采用两相流模型,辅以Realizable k湍流模型,来模拟阶梯溢流坝和消力池组合以及阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合两种联合消能工的水力特性,获得了流速场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率等物理参量的分布。网格划分采用了分区域划分:模型中任何形状不规则的复杂部分采用非结构网格划分,对形状规则的部分则采用了结构网格划分,并根据流动梯度的大小安排网格的疏密程度。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用了VOF法处理自由水面,使用PISO算法求解速度与压力的耦连方程组。比较分析了两种消能工在速度场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率的差异。研究结果表明:受宽尾墩的影响,坝面及消力池中的流速均小于无宽尾墩的情况,而台阶坝面的压强明显高于无宽尾墩的情况;在消力池中紊动动能及其耗散率均大于无宽尾墩的情况。可见,阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合消能工的消能优于无宽尾墩的情况。     

宽尾墩-跌坎型底流联合消能工水力特性试验研究

通过水工模型试验着重分析比较了宽尾墩-跌坎联合消能工与跌坎以及常规消能工消力池内的水流流态、临底流速以及脉动压力等,并根据试验结果拟合分析了该联合消能工的强迫水跃长度公式。试验结果表明,该种新型的消能方式改善了跌坎消力池内的水流流态,降低了消力池内的临底流速和脉动压力,缩短了消力池的长度,减轻了下游河道的冲刷,并且能很好地利用宽尾墩良好的消能率,克服宽尾墩挑射水流对消力池底板的冲击问题,为类似工程提供了参考,同时也丰富了泄洪消能工的型式。     

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的紊流数值模拟

宽尾墩 阶梯溢流坝 消力池一体化的坝面泄流形式是我国科技工作者提出的新型水工设施,已在实际工程中有所应用,但缺少数值计算成果。阐述了针对这种极其复杂的坝面形式进行的数值模拟,计算了设计和正常水位条件下的水力特性和宽尾墩进出口处的紊动能以及耗散率,数值计算结果与试验数据基本吻合。数值计算时单宽过量已达141m3/s·m,对宽尾墩 阶梯溢流坝 消力池一体化的方式有必要进行更深入的研究。     

X型宽尾墩消力池底板冲击压强规律研究

为了得到X型宽尾墩消力池底板的冲击压强的直接计算公式,分析了对冲击压强影响较大的几个因素,利用量纲分析对模型试验的大量数据进行了拟合,总结出一个能较好地反映冲击压强规律的经验公式。误差分析表明滚弄、鲁地拉、索风营、沙陀的冲击压强最大相对误差不超过16.3%,能较好地反映X型宽尾墩消力池内复杂水流的冲击压强。实例验证显示,阿海工程X型宽尾墩最大冲击压强计算值与实测值误差<-15.8%。     

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF THE FLARING GATE PIER ON THE SURFACE SPILLWAY IN A HIGH-ARCH DAM

The experimental studies of the flaring gate pier applied on the surface spillway in a high-arch dam show that a shock-wave will appear when the pattern of the flow is kept as super-critical. Meanwhile, the water depth at the outlet increases significantly, the flow moves downward in different directions, and the plunging jet is in a narrow and long shape, with a full longitudinal diffusion. In addition, the variation of the flaring gate pier design parameters affects little the discharge capacity of the surface spillway, these parameters including the contraction ratio , the contraction angle and the spillway chute angle . The pressure on the bottom of the spillway increases along the way and reaches the maximum before the outlet, and then decreases rapidly. Due to the flow impacting, the pressure on both sidewalls increases abruptly at the turning line of the flaring gate pier. To see the characteristics of the flow in the flaring gate pier, a simple calculation method is suggested based on the conversation of energy and mass, and the calculation methods for the jet trajectory and the horizontal length in air are also proposed. The results are found in good agreement with experimental data.     

掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气空腔的影响

在宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工中利用前置掺气坎连接WES曲面与阶梯溢流坝,能有效增加阶梯面掺气,避免阶梯遭受空化空蚀破坏。主要引用水气两相流VOF方法的RNG k-ε模型,采用几何重建方式对水气面附近进行插值以及利用PISO算法和非定常流算法进行数值模拟,模拟前置掺气坎角度8°,10°和11.3°时阶梯溢流坝上坎后掺气空腔长度及阶梯面压力分布,模拟范围从库区至消力池尾部。为验证模拟计算的可靠性,对阶梯溢流坝坎后掺气空腔进行模型试验,通过坎后空腔长度模拟值与实测值的对比分析,发现两者吻合较好,最大偏差为7.9%。模拟结果表明,掺气空腔长度随前置掺气坎角度的增加而增加,阶梯近壁面最大负压绝对值及压力随前置掺气坎角度的增加而增加且负压分布范围逐渐扩大。     

FLUENT软件在水利工程中的应用

简要介绍FLUENT软件,回顾其在流场计算中的应用。以电站进水口、宽尾墩和阶梯溢流坝、双弯曲型溢洪道3类工程项目为例,叙述该软件在水利工程中的应用情况。针对水利工程问题边界复杂、水气混掺、自由面较多的特点,分析模型建体、自由面处理和网格划分等主要问题,并采用与模拟形状基本相同的体型、网格线与水流方向基本一致、边界位置远离紊动剧烈区域的方法予以解决。数值模拟表明,FLUENT软件可以处理复杂体型和具有多个自由面的水气二相流问题。