多层水平淹没射流新型消能技术发展与应用述评

多层水平淹没射流是一种新型消能型式，具有流态稳定，消能效率高，雾化低，适应性强等特点．长期以来国内外研究人员对多层水平淹没射流进行了大量的研究工作，目前已经认识了该消能工流场中的许多机理与水力特性．基于此，比较分析了国内外对多层水平淹没射流问题在理论分析、模型试验和数值模拟研究3个方面的研究现状，评述了三者研究方法对多层水平淹没射流的预测能力．同时针对向家坝水电站高水头、大单宽流量、多泥沙的泄洪消能技术难题，探讨了多层水平淹没射流在向家坝水电站中的成功应用，为同类工程及环境影响要求较高的工程提供了重要参考，也为今后该领域的研究方向提供科学依据．     

消力池尾坎体型对水跃特性的影响

底流消能是水利工程中常见的消能方式之一.本研究以斜坡+竖直坎的消力池尾坎组合为研究对象,设计出9种消力池尾坎体型(不同坡度、不同竖直坎长度),研究尾坎体型对消力池内水跃特性的影响.通过数值模拟,获得了设计工况下各个体型的水面线、消能率、水跃长度、临低流速和尾坎压强分布特性.通过对比分析发现,竖直尾坎的长度直接影响水面线、消能率等水力特性.研究结果表明,通过数值模拟可以提高研究效率,并为实际工程的消力池设计提供重要的参考依据.     

泄洪消能新技术在向家坝工程中的应用

向家坝水电站泄洪消能具有高水头、大单宽流量、多泥沙的特点,泄洪消能布置要考虑发电、通航、防洪和拦沙等因素的影响.多股多层水平淹没射流是一种新型消能型式,可降低消力池出池水流的波动、底板压强及临底流速,具有流态稳定、消能效率高、雾化低、适应性强等特点,较好地解决了向家坝水电站泄洪消能问题,为同类工程及环境影响要求较高的工程提供了重要参考,同时也丰富了泄洪消能工的型式.     

U形渠道水跃的试验研究

从理论上推导了Ｕ形渠道的水跃方程。通过模型试验研究了Ｕ形渠道水跃的水流流态和流速分布,测量了跃前、跃后水深和水跃长度,提出了共轭水深、水跃长度和水跃消能率的计算公式。研究表明,Ｕ形渠道的水跃有良好的消能效果,其消能作用优于矩形渠道和梯形渠道,接近于三角形渠道。     

公伯峡水电站旋流泄洪洞不同闸门开度运行与原型水力特性观测

对公伯峡水电站旋流内消能泄洪洞进行了不同闸门开度运行的模型试验研究,并与部分原型观测结果进行了对比.闸门开度运行方式不同时,上部通气孔的通气状态与旋流洞的流态不同,泄流量和消能率等水力特性的变化规律也均有所不同,应尽量保证旋流泄洪洞的运行为淹没流态和避免闸门小开度或低水位运行.除上通气孔的风速与通风量以外,下通气孔通气量、风速、导流洞出口平均流速、泄流量和总的消能率原型与模型的观测结果均基本一致.     

混合流消能率的计算与探讨(基本消能方式的综合研究报告之三)

本文提出了混合流消能率的计算式,从而基本上解决了一般边界条件下各种消能方式消能率的计算问题。同时还对消能率的物理意义进行了探讨,提出了消能率、消能负荷率与消能效率之间的联系与区别,有助于具体情况,具体分析。根据分析和计算,证明了一般边界条件下局部水力现象中的消能率E_R是弗氏数F_r、共轭比η=t/h_1、混合比ξ=α/h_1和坎角θ的函数,消能率与F_r成正比,与t成反比,但最具有决定性影响的仍是F_r。在各种消能方式中,以利用淹没混合流的戽流消能所承担的消能量最大,从而进一步证明了在消能防冲上淹没混合流是一种最优越的流态。     

矩形明渠中水跃跃长经验公式及 消能率实验研究

对不同流量、不同闸板开度下的17个工况下的波状、弱、摆动、稳定、强五种形式的水跃进行实验研究,用理论公式计算了跃后水深,用吴持恭、Smetana和Elebatorski三个经验公式计算了水跃区跃长,并与实测结果进行比较;同时计算了水跃区消能率和水跃消能率。结果表明:理论跃后水深公式对小流量下产生的稳定水跃吻合更好,更适用于稳定水跃跃后水深的计算;在仅跃前水深已知时,可优先选择吴持恭经验公式估算水跃长度,若跃前、后水深均已知,也可选择Elebatorski经验公式估算水跃长度;虽然强水跃的消能率最高,但建议在底流消能的工程中多采用稳定水跃,其次摆动水跃,以上研究可为工程设计提供可靠的依据。     

矩形明渠中水跃跃长经验公式及消能率的实验研究

对不同流量、不同闸板开度下的17个工况下的波状、弱、摆动、稳定、强五种形式的水跃进行实验研究,用理论公式计算了跃后水深、用吴持恭、Smetana和Elebatorski三个经验公式计算了水跃区跃长,并与实测结果进行比较;同时计算了水跃区消能率和水跃消能率。结果表明：理论跃后水深公式对小流量下产生的稳定水跃吻合更好,更适用于稳定水跃跃后水深的计算;在仅已知跃前水深时,可优先选择吴持恭经验公式估算水跃长度,若跃前、后水深均已知,也可选择Elebatorski经验公式估算水跃长度;虽然强水跃的消能率最高,但建议在底流消能的工程中多采用稳定水跃,其次摆动水跃,以上研究可为工程设计提供可靠的依据。     

基于VOF模型的台阶式溢洪道的数值模拟

为了研究台阶式溢洪道在不同体型下的水流流态、流速分布和消能率等水力特性,采用RNG的湍流模型和VOF方法模拟台阶式溢洪道的水流流动,对不同体型的台阶式溢洪道进行了数值模拟计算。结果表明:模型1与模型2水流流态为跌落水流,对台阶的冲击和冲刷较大,模型4水流流态平稳,为滑行水流流态。4种模型消力池出池流速基本一致均较小,即消能效果较好,计算流速最大值小于15 m/s,45级台阶的消能率达最高。数值计算结果与物理模型试验相吻合,验证了该方法的可行性与实用性。     

高拱坝深潭型水垫塘数值模拟研究

高拱坝工程为满足下泄水舌的挑距和淹没水跃长度的要求,水垫塘往往较长,而在水垫塘消能过程中实际参与进来的水体并不多,为此提出一种长度较小且能够集中消能的深潭水垫塘.以溪洛渡水电站为研究对象,采用RNGk-ε三维紊流数学模型对八深孔泄洪工况下反拱和深潭水垫塘进行数值模拟研究,首先把反拱水垫塘的流速及拱底板压强的计算值与相应模型实测值进行了对比验证,再对两种水垫塘塘内的水流流态、近壁流速、壁面压强分布特征以及消能率进行详细分析,结果发现在反拱水垫塘内,下泄水体的巨大能量主要通过淹没射流的紊动扩散和淹没水跃的作用来消除;深潭水垫塘内水体消能主要依靠贴壁流在边壁作用下返回深潭不断紊动耗散的过程;两种水垫塘底板最大冲击压强分别为8.64 mH_2O和11.62 mH_2O,二道坝顶平均出流流速分别为8.52 m/s和5.34 m/s,消能率分别为90.25%和92.25%.