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。     

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。     

通过相对比能计算台阶式溢洪道水头损失的研究

水流比能是重要的水力参数,反映水流运动部分的能量。将台阶溢洪道与光滑溢洪道的断面比能进行对比分析,引入台阶相对比能的概念,准确反映台阶溢洪道与光滑溢洪道水头损失之间的差别。通过26.6?~48.0?坡角、0.5m~2.0m台阶高度的21组模型试验,分析了台阶溢洪道比能及相对比能与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度之间的关系。台阶溢洪道水流比能与这些参数关系比较复杂,不便分析应用,而台阶溢洪道相对比能与流程长度呈良好的线性关系而且斜率与单宽流量无关,与台阶高度、坡度呈递增关系,便于分析应用,试验资料证实了引入台阶溢洪道相对比能的必要性。提出计算台阶溢洪道水头损失的经验公式,为相关设计提供参考。     

“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。     

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。     

台阶式泄槽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，本文对台阶溢洪道发展现状，流态和水力牧场生，以及台阶溢洪道的设计应用做介绍。     

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。     

台阶式泄水建筑物的消能分析

应用重力相似准则,对台阶式泄水建筑物的消能进行了系统的模型试验研究.结果表明,当坡角θ=5.7°～60°,相对临界水深hk/h≤3以内,跌落水流、过渡水流和滑行水流三种流况条件下的消能率基本相同,其消能率随相对坝高(hdam/hk)增加而增大,随坝坡变陡而减小.台阶段消能率与消力池消能率之间的关系为,随坝坡变陡,台阶段的消能率逐渐变小,消力池的消能率逐渐增大,也就是说,台阶段和消力池之间的消能率之差随坝坡变陡而逐渐加大.台阶高度对消能率影响很小,大约只有1%左右,消能率随流量增大而减小.     

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。     

阳江抽水蓄能电站下库溢洪道消能研究

阳江抽水蓄能电站下库溢洪道具有泄流落差和单宽流量较大、陡槽段平面转弯等特点,溢洪道的急流冲击波和消能问题较突出。通过水力学模型试验研究,在弯曲陡槽段进口上游设置"底流消力池 T型消力墩"的一级消力池、弯曲陡槽段内设置斜向高低坎和陡槽段内设置外凸式阶梯跌坎等辅助工程设施,改善了溢洪道泄流流态,妥善解决了溢洪道消能问题。     

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。     

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。     

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。