掺气分流墩台阶式溢洪道的水流流态和流速特性

通过模型试验，研究了掺气分流墩台阶式溢洪道的流流态和流速特性。结果表明：此种消能工能改善台阶式溢洪道的水流流态，大幅度地减小水流流速。在试验范围内，掺气分流墩台阶式溢洪道的流速较相应光滑溢洪道减小了18．4％－68．3％，较相应的台阶式溢洪道降低了6．8％－54．0％。     

台阶式溢洪道消能规律试验研究

为研究台阶式溢洪道消能变化规律,结合某水库实际工程,采用水工模型试验的方法,对不同水力条件下台阶式溢洪道的水流流态、消能特性进行了研究。结果表明:台阶式溢洪道水流流态根据上游来流量和台阶尺寸的不同可分为滑行水流、跌落水流和过渡水流;台阶式溢洪道消能率随流量的增加而减小,并随坝高的增加而增大,改变台阶尺寸对消能率基本没有影响;在较小流量时台阶式溢洪道消能率可达到90%以上,说明台阶式溢洪道具有很好的消能效果。     

台阶式溢洪道水力特性数值研究

为研究台阶式溢洪道的水力特性,结合某水库实际工程,采用标准k-ε紊流模型模拟溢洪道水流流场,并利用流体体积分数法(VOF)来追踪自由水面,复杂边界形状采用非结构网格进行处理的方法对台阶式溢洪道流场和光滑溢洪道流场进行了模拟。结果表明:数值模拟能够得到较为合理的自由水面和速度场,台阶式溢洪道自由水面高于光滑溢洪道,水流流速则低于光滑溢洪道,且台阶内部存在漩涡。台阶式溢洪道消能率远远大于光滑溢洪道,可见台阶式溢洪道消能效果十分显著。     

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。     

竖井旋流式溢洪道消能及空化特性

为解决旋流式溢洪道壁面负压及其产生的空蚀问题,提出一种无通气孔的新型竖井旋流式溢洪道,并通过物理模型试验及数值模拟计算对其消能及空化特性进行研究。研究结果表明:无通气孔竖井旋流式溢洪道利用进水隧洞净空余幅作为掺气设施,使下泄水流卷携大量空气进入竖井内形成稳定掺混空腔,在竖井井壁摩擦剪切作用及旋转水流相互碰撞下,水流紊动加剧,显著提高掺气浓度及能量紊动耗散,有效解决旋流式溢洪道中易出现的空蚀破坏、消能不充分等问题。     

台阶式溢洪道的消能问题

阐述了台阶式溢洪道的水流流况分类，叙述了在一定斜坡角度情况下的试验研究结论，并分析了台阶段各流况的试验资料下及游消力池水跃消能的试验资料，结果表明，台阶式溢洪道的总消能率可达95％左右，其中中台阶段消能率占85％以上，下游水跃消能只占总能量的10％左右，说明台阶式溢洪道具有很好的消能效果。     

台阶式泄槽溢洪道的典型设计及特点

本文通过对典型台阶式泄槽溢洪道的工程设计,介绍了判断泄槽水流流态及分离流等相关参数的计算方法,并总结了台阶式泄槽泄洪溢洪道适应地势较陡、消能率高及节省投资的特点。     

大单宽流量岸边溢洪道水力特性三维数值模拟

采用κ~ε双方程紊流模型模拟了带掺气槽岸边溢洪道具有大曲率水气交界面的水流流场,给出了溢洪道溢流堰、泄槽及挑流鼻坎的压力分布、流速分布等水力特性并对掺气槽掺气特性进行了定性分析.其中部分结果与模型试验结果吻合良好.对连续式和差动式两种不同坎型挑流鼻坎消能效果进行对比,给出各自预挖坑底板紊动能分布,结果表明多股水舌消能效果优于单股水舌,可为挑流坎型优化设计提供参考.     

明渠水流速度对自掺气发展影响的试验研究

采用针式掺气浓度仪对有压出口后明渠水流表面自掺气的发展过程进行了详细测量,研究了不同出口流速条件下掺气发展区的掺气浓度分布及其沿程发展变化情况,分析了流速对自掺气发展的影响。试验结果表明：随着出口流速的增大,相同断面处水流平均掺气浓度不断增加,掺气区向渠道底板扩展更加充分;在断面平均掺气浓度相同的条件下,水流速度越大,水体紊动程度越高,气泡向渠道底板方向扩散越明显。结合紊动扩散理论分析,认为流速对明渠自掺气扩散的影响包括提高水流掺气浓度和增大水体紊动扩散系数两个方面。     

明渠自掺气水流气泡特性的试验研究

采用针式掺气浓度仪对明渠自掺气水流的气泡特性进行了试验研究,结果表明：在掺气发展区,气泡总数沿程增加;同一断面上,气泡个数从底部至水面方向先增加后减小,个数最多的点大约位于自掺气水流的两区交界面处;底部气泡尺寸的分布比较集中,愈接近水面分布愈分散;气泡平均等容直径从槽底向水面方向迅速增大;在试验的流速条件下,渠底附近2mm以下的气泡个数沿程不断增多。     

竖井进流水平旋转内消能泄水道的泄流特性

通过对竖井进流水平旋转内消能泄水道的泄流特性的试验研究,揭示了该种泄水道的泄流规律,并着重分析了上下游水深、通气孔通气状态对泄流特性的影响。在给出泄流特性分区及流态划分后,提出该种泄水道的泄流量计算公式。     

初生空化数的计算模型

从“气核惯性失稳导致空化”这一观点出发,提出了应用于数值模拟的初生空化判别标准及其数学模型,采用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法模拟空化现象中的各种随机因素,在可靠度的意义下将气核空化初生与流场空化初生联系起来．以黄河小浪底工程消能泄洪洞为例,对三级串联孔板的初生空化数作了计算．     

用附加动量理论分析掺气分流墩与消力池联合消能机理

用“附加动量”水跃理论分析了掺气分流墩与消力池联合应用的消能机理，用跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积减少的百分数，估计新增消能设施的经济效益。并通过模型试验验证了消能的理论分析，计算了新增设施的消能量、跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积减少的百分数。结果表明，采用掺气分流墩设施，可增进消力池的消能作用，并取得显著的经济效益，达到了附加动量水跃理论所预期的效果。     

基于梯-潭消能系统的挡流式泥石流排导槽

中国是灾害多发的国家之一,泥石流是山区灾害的主要类型。对于特大泥石流,传统常规的治理办法难以起到很好的效果,于是王兆印等提出了梯-潭系统。但是,梯-潭系统并不完美,仍有许多值得改进的地方。以提高消能效率为出发点,提出一种能在短距离内达到消能、控速功能的挡流式泥石流排导槽。通过设计最佳横断面,使排导能力达到最佳;通过挡板与梯-潭系统达到快速消能的目的;然后通过推导分析,给出了挡流式排导槽的消能率计算公式;最后与传统梯-潭型排导槽消能率计算公式作对比分析,发现提出的排导槽具有高效消能的作用。     

水流中植物的挠曲变形及耗散能

基于植物上的水动力分析,推导了其在紊动水流作用下的挠曲率形及其能量耗散计算关系,探讨了紊动水流和植物丛之间的能量转化规律,为进一步研究其水流基本方程奠定了基础．     

超典型井流水力特性研究及其在低坝消能中的应用

井流消能是一种结构简单、造价低廉、且消能效果甚优的新型消能方式。在井流流态中，超典型井流又因其消能效果最好而在低坝消能中具有很大的推广应用价值。本文通过试验研究，探明了超典型井流的流态特性及其演变规律，得出了可供设计应用的计算方法和计算公式。本成果已在三十余座低坝工程中得到应用，并取得良好的工程效益。     

消力池消能效果影响因素的研究

通过VOF(volume of fluid)方法,模拟了水闸泄水时消力池内的流场情况。通过慈溪龙山排涝出海闸工程实例对模型精确性进行校核,在此基础上对消能效果的因素进行了研究。结果表明增加消力坎角度、消力坎高度和泄水水头高度可以增大消能率;结论可为低水头泄水工程的设计提供依据与参考。     

掺气减蚀槽的消能效果

试验证明设掺气槽后消能作用增加主要表现在：增加泄流沿程消能效果，降低挑流出口流速系数 值，挑距缩短，增加空中扩散消能作用，挑流水舌入池尺度加大，入池水流的能量集度减小。并首次提出了设掺气槽后消能作用增强的计算公式。     

圆管内湍流流动能量耗散率近似算法的可靠性分析

为了检验能量耗散率近似算法的可靠性 ,将按近似算法计算得到的管内湍流体均能量耗散率与按热力学方法导出的解析式并采用公认的摩擦因子公式计算的体均能量耗散率进行了对比。结果表明 ,若选择适当的湍流时均速度梯度模型 ,用近似算法计算的体均能量耗散率与用解析式计算的值接近 ,说明该近似算法的准确性可以满足工程计算的需要。湍流剪切率的计算误差小于能量耗散率的计算误差。对于牛顿流体在圆管内的湍流流动 ,使用三段速度分布模型计算的体均能量耗散率比采用窦国仁式速度梯度分布模型计算的误差小。参照牛顿流体能量耗散率的计算方法 ,提出了幂律流体管内湍流能量耗散率的近似算法。对于幂律流体 ,以管壁处表观粘度代替牛顿流体粘度 ,并采用牛顿流体时均速度梯度模型 ,按近似方法计算得到的体均能量耗散率与按解析式计算的结果吻合