台阶式溢洪道阶顶过流断面弗劳德数沿程变化研究

弗劳德数是明渠水流的重要水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。本文将台阶式溢洪道弗劳德数和对应光滑溢洪道弗劳德数对比,引入相对弗劳德数概念。通过26.57?、32.01?、38.66?和51.3?四组不同坡度,0.5~2.0m不同台阶高度的15组模型试验,分析了非均匀流段台阶式溢洪道弗劳德数及相对弗劳德数与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能水头之间的关系。台阶式溢洪道弗劳德数与这些参数关系复杂,不便分析应用,而台阶式溢洪道相对弗劳德数和这些参数呈良好线性关系,试验结果证实了引入台阶式溢洪道相对弗劳德数的必要性。     

台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速沿程变化研究

台阶溢洪道是目前热点的研究方向。台阶流速是重要的水力参数,为研究台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速水力特性规律,本文将将台阶式溢洪道流速与对应光滑溢洪道流速对比,引入台阶相对流速的概念。通过对26.57°、32.01°、38.66°和51.3°四组不同坡度,0.5m~2.0m不同台阶高度台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了阶顶过流断面平均流速、相对流速与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能率之间的关系。台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速与流程长度、单宽流量、相对消能率呈较为复杂的曲线关系,而相对流速和这些参数表现出良好的线性关系。单宽流量、台阶尺寸、坡度对相对流速有较大影响,单宽流量大,同一流程断面相对流速小;台阶高度高、坡度大,台阶相对流速大。相对流速和相对消能率也表现为良好线性关系,同一相对消能率,单宽流量越大,相对流速越小,对水流的阻力作用减弱。     

台阶式溢洪道纯台阶消能率的研究

目前普遍采用消能率概念研究台阶式溢洪道消能特性,事实上光滑面溢洪道也有一定的消能率,台阶式溢洪道的消能率是总的消能率,不能准确反映台阶消能的贡献,本文将超出光滑面溢洪道的消能率定义为纯台阶消能率,结合三种坡度台阶式溢洪道模型试验,研究了单宽流量、台阶高度、流程长度与纯台阶消能率的关系,表明规律性很好,表现在:不同单宽流量和台阶高度下的纯台阶消能率差值均不超过5%,纯台阶消能率与流程长度之间呈现良好的线性规律,单位流程纯台阶消能率在不同流量和台阶高度下可以作为常量,此外当坡度由55°减小至32°时纯台阶消能率增加10.4%,说明该参数适用于消能特性研究。     

“M”形台阶溢洪道的消能特性

随着单宽流量的增大,台阶式溢洪道的消能率逐渐降低,在大单宽流量下工程运行存在诸多问题。前人对台阶式溢洪道的研究重点多集中在台阶的尺寸、布置形式、流态等问题上,很少研究台阶本身的形式。为解决大单宽流量下台阶溢洪道的运行难题,提出了台阶形状在平面上呈"M"形的台阶溢洪道,并采用模型试验和三维紊流数值模拟的方法对比研究了"M"形台阶溢洪道和传统矩形台阶溢洪道的消能特性。研究结果表明:在较大单宽流量下,"M"形台阶溢洪道较传统的矩形台阶溢洪道掺气更充分,台阶面上负压区很小,台阶面上形成多种尺度的漩涡,水流为三元流态,消能率更高。研究成果可供工程设计和运行参考。     

大坡度台阶式溢洪道中的水翅现象

水翅是大坡度台阶式溢洪道在流量较小时出现的一种水流现象。模型试验表明:当斜坡角度为40°~60°时,水翅几乎存在于整个跌落水流范围内,甚至持续到过渡水流。随着溢洪道底坡的增大,水翅流量变化范围变小、高度增加;但是随着台阶尺寸的减小,流量变化范围缩小、高度降低;水翅的落点处,台阶面上压强明显增大。     

矩形明渠水跃段沿程和局部水头损失的计算

根据前人对水跃段流速分布、壁面切应力和总水头损失的研究成果,利用紊流边界层理论研究水跃段的沿程水头损失;利用水跃段总水头损失和沿程水头损失的关系,研究水跃段的局部水头损失,并根据局部水头损失的定义研究水跃段的局部阻力系数。研究表明,水跃段的沿程水头损失是跃前断面流速、水跃长度、水流运动粘滞系数的函数;局部水头损失和局部阻力系数是跃前断面共轭水深比和弗劳德数的函数。分析了水跃段总水头与水跃区总水头比值、相对沿程水头损失、相对局部水头损失、局部阻力系数与弗劳德数的关系。结果表明,相对沿程水头损失随着弗劳德数的增大而减小,水跃段总水头损失与水跃区总水头损失的比值、相对局部水头损失、局部阻力系数均随着弗劳德数的增大而增大。     

台阶式溢流坝的时均压强特性

当yc/h<3时,3种坡度(40°、50°和60°)的台阶式溢流坝试验结果证明,在初始台阶上,作用在水平面上的时均压强均为正值,其最大压强随流量增大,由台阶中部逐渐移向台阶外边缘;跌落水流时台阶竖直面上部范围出现的负压,在进入过渡水流以后全部变为正值。其他各台阶水平面上,除挑射水流越过的数个台阶外,在各级流量下时均压强为正值,其最大值均在台阶外边缘;台阶竖直面上部的时均压强为负,下部的时均压强为正,随流量增加负压绝对值增大,范围缩小。其中跌落水流时负压占台阶高度的75%,进入过渡水流后负压约占台阶高度的60%。     

溢洪道掺气坎槽后掺气水流三维数值模拟研究

高速水流泄水建筑物的某些过流部位常常发生严重的空蚀破坏,掺气减蚀是防止溢洪道空蚀破坏的重要措施。本文采用k-ε混合湍流模型封闭雷诺应力方程,利用双流体欧拉法处理自由表面及相间的相互作用,在相间作用力本构方程的构建上考虑了湍流扩散的影响,对溢洪道掺气挑坎掺气水流进行水气两相流三维数值模拟研究。研究了溢洪道沿程及断面的掺气浓度分布规律、掺气空腔特性、单宽掺气量和水面线等,探讨了掺气坎坎高、坡度、来流流速与掺气量的关系。数值模拟结果与物理模型试验结果吻合较好,验证了双流体欧拉法研究溢洪道掺气水流的可行性。研究成果为类似工程设计提供参考依据。     

基于不同断面形态的直角分流口处局部损失研究

明渠横向分流是一种常见的水流形态,分流时易产生漩涡,会产生较大的水头损失。以往的研究主要关注于固定形态河槽、小比降的分流问题。本文采用Mike21数学模拟手段,模拟干流不同断面形态(矩形、梯形、三角形)的水流分流状态,研究分流口门处的局部水头损失,并提出不同断面形态下弗劳德数和局部水头损失系数的变化关系。结果表明:同一断面形态下,随着进口流量的增大,分流口门处产生的局部水头损失逐渐增大;同一流量,三角形断面局部水头损失最大,梯形次之,矩形最小;明流缓流情况下,随着弗劳德数的增加,局部水头损失系数逐渐减小。研究成果既丰富了水力学学科内容,又为类似工程提供技术支撑。     

梯形明渠–马蹄形隧洞过渡段流动形态与局部水头损失研究

本文以新疆克拉玛依引水工程西干渠为背景,通过物理模型试验研究了从梯形明渠到马蹄形隧洞进口过渡段的水面衔接特点和局部水头损失规律。模型采用重力相似设计,比尺为1∶25,由有机玻璃制成。在试验过程中,测量了流量在3.88~17.05 L/s范围内水面线的纵向变化,发现当流量大于13.37 L/s时,洞口水面壅高,洞内存在水面波动,分析认为是由侧壁收缩引起的水面紊动所致。根据水深变化和平均流速计算得到过渡段局部水头损失,发现其随水面收缩角增加呈先减小后增大的趋势,进口过渡段局部水头损失系数为0.19~1.24。针对原模型试验发现的问题,模型试验中延长了过渡段,对扭曲面段、矩形段长度进行了优化。模型改进后,水流平稳,波动减弱,局部水头损失系数减小至0.05~0.82。试验结果为实际工程梯形明渠到无压隧洞的过渡段设计提供了依据。     

影响阶梯溢流坝消能率的因素

为了探求提高阶梯溢流坝消能率的措施，本文首次采用紊流数值模拟方法，对影响阶梯溢流坝消能率的一些主要因素，如单宽流量、坝坡、阶梯高度等进行研究。结果表明，消能率随单宽流量的增大而显著降低。坝坡越缓，消能率越高。阶梯高度对消能率的影响与单宽流量有关，当单宽流量较小时，消能率随阶梯高度变化较大；当单宽流量较大时，阶梯高度对消能率的影响很小。根据紊流数值模拟得到的坝面流场的紊动动能和紊动耗散率分布，对单宽流量增大时消能率降低的根本原因进行了探讨，提出了一些提高消能率的具体措施。     

台阶式泄槽溢洪道的水力特性和设计应用

台阶式泄槽溢洪道的显著特点是沿溢流面的消能率大大提高,从而可免除或极大地缩短溢洪道末尾所需消能工的尺寸。台阶水道还可用于水处理工厂,促进空气中的气－水交换和有机质的挥发。参阅国内外资料的基础上,本文对台阶溢洪道的发展现状、流态和水力特性,以及台阶溢洪道的设计应用做了介绍。     

宽尾墩后接阶梯溢流坝面水工设施的研究

将宽尾墩安置在阶梯溢流坝上游形成一种新的水工设施,它兼有宽尾墩和阶梯溢流坝面的特点,比纯阶梯坝单宽流量可增大数倍。由于在阶梯面与挑射水流之间形成气体空腔,可实现充分掺气。本文对其进行了数值模拟,采用了双孔方案。虽然网格数增加了一倍,但比单孔而言流场更加完整。通过数值模拟得到的墩后水翅、阶梯面挑射水舌和掺气腔体等,与实验观测到的现象吻合。介绍了复杂水工建筑物的网格生成方法。本文的研究成果可以为设计提供参考依据。     

宽尾墩体型对阶梯溢流坝阶梯面掺气和消能的影响研究

宽尾墩与阶梯溢流坝结合的新型消能工,有效的解决了我国高坝泄洪建筑物由于高水头和大单宽流量等引起的高速水流问题。本文应用水汽两相流VOF模型和三维RNG-紊流模型,采用有限体积法进行区域离散,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,利用几何重建格式的非恒定流迭代求解,对宽尾墩收缩比分别为0.7、0.445和0.4的Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式中阶梯面掺气特性和消能特性进行了数值模拟,模拟结果显示,各收缩比条件下,沿程平均掺气浓度略有波动,但总体呈减小趋势,随收缩比减小,阶梯面掺气范围减小。在前几级阶梯面,掺气充分,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度呈先减小后增大的趋势,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度先增大后减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而增大。在掺气末端的阶梯面上,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度逐渐增大,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度逐渐减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而减小。阶梯溢流坝消能率随宽尾墩收缩比的减小而增大。     

不同台阶数的过渡阶梯对阶梯溢流坝面压强及消能特性的影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工很好的解决了我国由于大单宽流量和高水头等引起的高速水流问题,该消能工常采用过渡阶梯连接宽尾墩与阶梯溢流坝。本文基于阿海水电站溢流表孔,应用水汽两相流VOF计算方法的三维RNG k-ε湍流数值模型,速度与压力采用PISO耦合的算法方式,利用几何重建格式对水气交界面附近进行插值的非恒定流迭代求解,对1个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯,2个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯,3个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯和原工况四种方案的宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行三维流场数值模拟。结果表明:各方案均在首级阶梯内产生负压,且前三种工况在首级阶梯固壁压强分布基本一致,竖直壁面最大负压均出现在桩号22.56 m附近,其最大负压(-0.899 k Pa)较原工况最大负压(-4.469 k Pa)小。同时前三种工况水平壁面最大负压(-0.597 k Pa)较原工况最大负压(-3.898 k Pa)也小。即过渡阶梯的台阶数对负压分布影响不大。在消能方面,有2个台阶组成的过渡阶梯对阶梯溢流坝的消能率最高(为34.205%),其中过渡阶梯的首级台阶对阶梯溢流坝的消能效果影响最大。