基于均匀正交设计的消力池内双层悬栅布置优化试验

由于在消力池内布置双层悬栅对消能效果影响少有研究,考虑到单宽流量、悬栅栅条数、栅距和层距等影响因素,采用均匀正交设计,考察4因素3水平,选择UL9(34)优化方案进行模型试验,对比了不同流量和悬栅布置型式组合下消力池内下降水深及消能率。试验结果表明:不考虑单宽流量时,消力池内布置双层悬栅,下降水深受层距、栅条数以及栅距影响较大,其中层距改变影响最大,消能率受这些影响因素影响较小;单宽流量较小时,层距和栅距均与下降水深成正比关系,单宽流量较大时,层距与下降水深成正比关系。     

弯曲溢洪道泄槽内不同整流措施对比研究

为了对比研究不同整流措施对弯道流态的改善效果,本文通过数值模拟方法建立了无措施、布置导流墙、丁坝、斜底槛四种模型,通过模拟结果可以发现布置导流墙后,可以减小弯道水流惯性力,流态得到一定改善.布置丁坝后流态较导流墙效果不明显,但主流区被导向凸岸,对凸岸具有一定防冲刷作用.布置斜底槛后,下游的左右岸水力要素分布均匀,而且旋涡较多,具有导流与消能的双重作用.     

弯段溢洪道糙条水面结构及涡流演化分析

为研究弯段溢洪道糙条消能工前后水面结构及涡流演化规律,利用气液两相流模型结合RNGκ-ε紊流模型对弯段溢洪道布置糙条时的水流进行数值模拟,采用VOF法捕捉自由液面,压力与速度的耦合方程组选用半隐式SIMPLE算法求解。试验结果表明,弯道内布置糙条时流速涡量及水面结构数值模拟结果与模型试验结果吻合较好;在弯段溢洪道合理布置糙条能有效制约横向环流的产生,水面横比降能在较短的距离基本稳定在1%左右,壅水轨迹线与中轴线的偏移距离能尽快稳定并在下泄过程中向重合的趋势发展;水流受糙条影响,涡流在糙条前主要以多股漩涡并存的形式相互制约,在糙条后漩涡形式较为单一,影响跨度较大,在壅水区甚至贯穿整个断面。     

双层悬栅消力池的水力特性数值模拟

针对物理模型试验难以得到详细的流速、压强等水力参数数据问题,利用流体力学软件FLUENT建立RNG k-ε双方程紊流模型进行数值模拟,得到消力池内最大水深、流态、流速以及压强等水力参数,通过数学模型计算值与物理模型试验值对比分析以及数值模拟计算值之间对比分析,结果表明:数学模型计算值与物理模型试验值吻合较好,且布置双层悬栅时,计算值与试验值误差较小;双层悬栅使水流产生漩涡的能力较强,从而使水流对护坦冲击较小,护坦处涌浪降低,对压强变化影响较大,说明双层悬栅具有更好的消波稳流作用。     

弯段溢洪道导流墩联合糙条模型试验研究

为了研究弯段溢洪道中水流运动规律,建立了径宽比R/B为1.75的60°弯段溢洪道试验模型,通过改变导流墩联合糙条辅助消能工的布置参数,对实测数据进行分析,结果表明:导流墩联合糙条辅助消能工对水流有显著导流效果,可使水面横比降有效降低,使水面结构改善;长宽比L/B=0.187 5时水力条件优于L/B=0.125 0的,其最大消能率可达60%,水流动力轴线在弯道段,由凸岸向溢洪道中轴线靠近且出现不同幅度波动的趋势,在出口段,由凹岸一定程度向溢洪道中轴线迁移,大大缩短了纵向流速分布的调整距离。在弯道内合理地布置联合消能工既节省工程投资,又符合溢洪道水力特性要求。     

糙条新体型水力特性数值模拟与试验研究

以往的溢洪道弯段消能导流措施多适用于宽深比(溢洪道宽度与平均水深之比)较小的弯道,对于宽深比较大的弯段溢洪道消能导流问题研究较少。结合新疆"635"溢洪道整治工程,在一般工程措施解决弯段溢洪道横向环流的基础上,提出糙条辅助消能工的新体型。为深入探究糙条的水力特性及导流机理,通过模型试验结合数值模拟的研究方法;基于RNG k-ε湍流模型对弯段溢洪道7种工况进行数值模拟计算,并与试验结果对比研究。结果表明:针对大宽深比弯段溢洪道的消能导流问题,糙条新体型有传统辅助消能工无法取代的优势,且在解决弯道环流、降低水面横比降、缩短下游调整段距离的同时,水面流态依然较传统型消能工优越。     

糙条消能工对弯道水流动能调整试验研究

糙条消能工是一种新型消能工程措施。结合新疆"635"溢洪道整治工程,采用糙条对弯道水流进行消能辅助,通过改变糙条的布置型式,设置6种不同工况,对加糙水位变化率、水面线、横断面均匀度、水面横比降、断面流速分布、下游水流恢复长度、断面动能计算和动能调整系数等评价指标进行了分析。研究结果表明:有糙条工况能够增大加糙水位变化率,弯顶断面加糙水位变化率的变化不同于其他弯段断面;糙条高度的增大和条距的减小对弯道水流及下游出口水流有良好的改善效果;通过对弯道段典型断面的动能计算,得出糙条的设置可大幅度削减水流的动能,改变动能调整系数,进一步说明糙条消能工对弯道水流动能有很大的调整作用,突显了糙条消能工良好的消能辅助作用。     

消力池内布置双层悬栅的压强特性数值模拟

针对物理模型试验中双层悬栅消力池内水流波动较大、压强场难以测量的问题,利用流体力学软件FLUENT建立RNGκ-ε双方程紊流模型进行数值模拟计算,得到消力池底板的时均压强及悬栅迎水面与背水面的时均压强差。通过对比分析计算结果表明,消力池内布置双层悬栅时,消力池上游段底板、第1根悬栅及下层悬栅受水流冲击较大,在结构稳定性设计时需提高其抗压强度。     

双层悬栅消能率影响因素排序及布置形式研究

为了得到双层悬栅布置参数对消力池消能率影响显著性排序和最佳布置形式,采用设计流量15 000 cm~3/s和验证流量13 000 cm~3/s两种条件,改变层距、栅距、栅条数,分析不同布置方案下双层悬栅消能率极差,同时利用PPR技术对验证流量13 000 cm~3/s条件下的布置参数与消能率进行模拟。结果表明:通过计算模型试验消能率极差与建立PPR数学模型,均得到双层悬栅布置参数对消能率影响的显著性排序为层距、栅条数、栅距。对比数值模拟与模型试验结果可知,两者差别较小,说明PPR数值模型可以较好地拟合双层悬栅消能规律。当栅条数为11根、层距为5 cm、栅距为12 cm时,消能效果较好,为消力池内双层悬栅最佳布置形式。     

弯段溢洪道导流墩联合糙条消能工水力特性试验研究

由于弯道离心力与边墙的作用,导致溢洪道内产生水面超高、横向冲击波等问题。为了充分体现加设导流墩糙条后对溢洪道内水力特性影响,通过对曲率半径与底宽比值为2. 2的60°弯段溢洪道试验研究,得到了不同试验方案下溢洪道各典型横断面的水深与水流动力轴线分布规律。结果表明:导流墩布设位置和个数均可以一定程度地改善溢洪道内水面结构形态,单一形式导流墩对弯道内水面结构改善效果不如导流墩和糙条联合布置形式; 5组试验方案最大水面差及最大水深在1/5～2/5弯道横断面和4/5弯道横断面相邻上下游位置发生频率较大,且导流墩糙条联合方案的水流动力轴线更趋向弯道中轴线;相比同类消能工,导流墩糙条联合形式布置在弯道内更加节约工程造价,且施工较方便,可为实际工程设计提供理论参考依据。