高拱坝水舌作用下水垫塘流场的二维数值模拟

应用RNGk-ε紊流数值模型,采用二维VOF方法,对溪洛渡拱坝表孔泄洪和表深孔空中碰撞泄洪两种工况下的水垫塘流场进行了数值模拟,给出了水舌从空中抛射或碰撞,下泄至水垫塘并发展到塘内流动稳定的全过程以及流动稳定后的水垫塘流速矢量和底板压强分布图、水垫塘底板最大压强和近壁最大流速的脉动过程.计算结果与溪洛渡相应的实测值以及其他文献计算的最大底板压强和近壁流速吻合较好,说明数值计算方法合理且结果可靠.     

反拱水垫塘拱圈底板动水压强时域与频域的变化规律

设计试验装置,测量高水头和大流量作用下反拱水垫塘全流场内拱圈底板动水压强.利用分析方法,得出拱圈底板表面与底板缝隙动水压强自相关特征和时空相关特征的变化规律,分析其与反拱水垫塘内水流的流动结构和流态之间的关系,揭示拱圈底板动水压强的变化和传播机理;对其频域特性进行分析,结果表明:拱圈底板表面动水压强的优势频率分布范围较广并比底板缝隙内的宽,其峰值频率分布范围主要集中在0～1 Hz,脉动能量均以低频为主.     

高坝下游水垫塘中三种典型流态的数值模拟

用垂向二维k-ε紊流模型数值模拟了高坝下游水垫塘流场结构,并与实测流速值进行了比较.研究结果表明,用该模型及相应的k-ε紊流模型边界条件模拟是可行的.采用该模型分别模拟了下游水深降低、水舌入水角变化时水垫塘内的流场结构,得出了自由冲击射流、淹没冲击射流和面流三种典型流态,描绘了三种流态下水垫塘流体质点的迹线特征,给出了流速、动水压差、紊动能和耗散率的分布规律.研究结果表明,水垫塘应避免出现自由冲击射流流态,可以通过加大水垫深度、减小入水角、控制流态来实现淹没冲击射流或面流流态,以降低底板动水压差、紊动能和耗散率,保证水垫塘的安全运行.     

反拱水垫塘底板块上举力变化规律的试验研究

反拱水垫塘是一种新型消能防冲结构,拟在中国溪洛渡等300m级高拱坝中采用,其稳定性是其在高水头、大流量作用下能否安全运用的关键技术之一。结合溪洛渡拱坝,通过模型试验研究了拱坝坝身泄量最大达3万m3/s时,反拱圈横缝止水设施破坏,动水压强贯入底板缝隙,基岩锚固力失效的极端情况下的反拱水垫塘底板块上举力,得出底板块上举力分布规律和脉动上举力谱密度特性,并推算出拱端的极限推力。研究成果对反拱水垫塘设计、运用和稳定研究具有理论和实际意义。     

反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性的比较

反拱水垫塘是一种新型消能防冲结构,拟在我国溪洛渡等高拱坝中采用,其稳定性是其在高水头、大流量的作用下能否安全运用的关键技术之一。分析了平底水垫塘和反拱水垫塘底板稳定性原理,论证了反拱水垫塘底板具有超载能力强和稳定性高的优点,是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择。     

反拱水垫塘底板块上举力变化规律的试验研究

结合溪洛渡拱坝,模型试验研究了拱坝坝身泄量最大时,在反拱圈横缝止水设施破坏、动水压强贯入底板缝隙、基岩锚固力失效的极端情况下,反拱水垫塘底板块上举力的分布规律及脉动上举力谱密度特性等。该成果对反拱水垫塘的设计、运用及稳定性研究具有理论和实际意义。     

阻塞型竖井旋流泄洪洞水力特性研究

为了解决竖井旋流泄洪洞下部出现高速低压而导致的空化空蚀风险，提出在竖井中部设置垂直阻塞的布置形式.主要通过数值模拟的方法，对设置不同收缩度的阻塞竖井旋流泄洪洞的流态、压强、三维流速、空化与消能特性等进行了系统研究.研究结果表明：收缩度不宜过大或过小，过大则泄流能力不足，过小则流场变化不明显.一定收缩度的阻塞有利于减小空径比，增大旋流角，进而增大壁面压强，同时阻塞的存在使得上部旋流合流速与轴向流速减小，这一增压减速效果显著增大了空化数，大大降低发生空化空蚀的风险.另一方面阻塞的设置有效降低了井底水跃与水垫的紊动程度，底板压强值降低，且压强分布更加均匀.虽井底区域消能率有所下降，但旋流区消能率的大幅增加能与之弥补.研究成果充分揭示了阻塞竖井旋流泄洪洞的流场特征，可为其进一步研究应用提供参考.     

反拱水垫塘拱圈底板动水压强变化规律的研究

采用先进的模拟方法和量测手段,对高水头和大流量作用下反拱水垫塘拱圈底板动水压强进行了详细的试验研究。实现了拱圈位于反拱水垫塘流场中任意位置时,同步量测底板表面和底板缝隙中动水压强,得出拱圈底板动水压强沿流程以及沿拱圈横向的分布规律,揭示了底板块上举力的形成和变化机理;提出把底板缝隙动水压强划分为三种形态;提出底板块振动的可能方式;得出拱圈底板缝隙动水压强的频率分布范围比底板表面的更窄,但两者优势频率接近,脉动能量都以低频为主。     

低水头非完全宽尾墩三维流场数值模拟

为解决常规物理模型试验受观测手段限制难以全方位研究深尾水消力池内水力学参数的问题,借助RNGk-ε紊流模型结合VOF方法对比研究深尾水作用下平尾墩及非完全宽尾墩试验方案下游消力池内流场变化,并揭示非完全宽尾墩消能机理.研究结果表明:受溢流堰纵向长度及下游消力池内深尾水限制,平尾墩底流式淹没水跃逼近溢流堰顶,消力池内消能紊动不足,出池水流形成强烈二次水跃;非完全宽尾墩则束窄部分溢流堰闸室过流断面促使形成纵向拉伸挑射水舌,利用各相邻闸室非对称出闸水流、增强消力池内入池水流横向流速梯度和水位落差,加剧消力池内入池水流横向扩散、交汇,在消力池上游区域形成由底层至表层的大幅度立轴旋滚,显著增强消力池内能量耗散,降低出池水流流速,取得较好的消能效果.     

水垫塘反拱型底板衬砌结构的非线性分析

反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在，其受力过程表现为一种高度的非线性．为此，采用ANSYS程序中三维非线性弹簧单元模拟锚固钢筋的黏结滑移，接触单元模拟水垫塘底板结构之间的接缝以及底板、拱座与基岩之间的接触面。建立反拱型水垫塘的有限元模型，通过长潭岗水垫塘的工程实例说明了该模拟方法的合理性，并应用该方法对拟建的拉西瓦反拱型水垫塘进行稳定性分析，结果表明，反拱型底板具有较好的受力条件．茸稳定性能够得到保证．     

水垫塘底板冲击压强分布特性试验研究

控制水垫塘底板的冲击压力对于水电站泄洪安全具有重要意义,尤其是对于高水头、大流量、窄河谷的水利工程。该文结合中国西南地区大型水电站泄洪消能的实际进行物理模型试验,对电站原方案下水垫塘的冲击压强进行了试验分析。提出了改变表孔齿坎布置的3种改进方案,进行了冲击压强试验。结果显示,改变表孔的齿坎布置是减小冲击压强的一种可行方法。还得到了最优的表孔齿坎布置方案,测量了水垫塘内的流速分布,分析了水垫塘内流态。该结果可用于该大型水电站的泄洪消能设施设计。     

高拱坝表深孔碰撞泄洪消能水力特性

高拱坝坝身宣泄洪水产生高速水流,水流下泄时会对水垫塘底板产生极大的冲击压力.为保证下游冲刷安全,在有足够的深水垫消刹能量的同时,还需通过水舌在空中消耗部分能量.通过表深孔同轴碰撞的泄洪消能布置方式,研究不同表深孔流量比工况下水流特性及底板动水压强等水力特性.结果表明,表深孔上下水舌在空中碰撞、掺气,削弱射流的集中强度,能使下泄水流的冲击压力大大降低,有效提高下游水垫塘的抗冲安全性,为类似工程布置提供借鉴.     

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.     

高拱坝下游水垫塘内流场的数值模拟

运用带自由表面的三维k-ε气液两相紊流数学模型,采用质量分配的方法概化由于设有齿坎且高程不同的泄洪表孔而形成的复杂水舌形态,模拟了某水利枢纽水垫塘内斜向淹没冲击射流形成的气液两相流场,计算得到的底板时均压力分布与物理模型试验实测结果符合较好.通过数值模拟给出了水垫塘内斜向淹没冲击射流流态和纵横断面上的水气体积分数分布.数学模型弥补了模型试验对水垫塘内部水流流态及有关重要水力学参数难以观测与测量的不足,有助于分析判断泄水建筑物布置的合理性与水垫塘的消能效果.     

白山坝下游水垫塘水力特性研究

本项试验研究对白山坝下游不同布置体型的水垫塘内水流进行了观测，研究了水垫塘体型对消能的影响，选择确定了能较好地适应水舌入射角为25°～45°的开阔型水垫塘．试验成果表明,水垫塘中的流态直接影响着水垫塘内消能和底板的受力，脉动压力的大小直接影响着板块的稳定性．在水垫塘底板结构设计中，应综合考虑脉动压力、渗透力的影响．本项试验研究对白山坝下游不同布置体型的水垫塘内水流进行了观测，研究了水垫塘体型对消能的影响，选择确定了能较好地适应水舌入射角为25°～45°的开阔型水垫塘．试验成果表明,水垫塘中的流态直接影响着水垫塘内消能和底板的受力，脉动压力的大小直接影响着板块的稳定性．在水垫塘底板结构设计中，应综合考虑脉动压力、渗透力的影响．     

高拱坝水垫塘反拱型底板的体型

反拱型底板的稳定性是实现消能防冲的关键所在，为了研究反拱型底板块各体型参数对其稳定性的影响，结合某高拱坝水垫塘反拱型底板稳定性的实验研究，采用有限元数学模型及局部稳定性力学模型，从反拱水垫塘底板的圆心角、板块厚度、板块尺度和锚固水平等几个方面分析了底板稳定性与其体型的关系．结果表明，拱圈的圆心角及板块尺度不宜过大，板块厚度在满足稳定性要求的基础上可做适当调整，而锚固钢筋应尽量做到均匀布置．     

水平多股淹没射流理论及试验研究

针对水利水电工程中高水头、大单宽流量泄洪消能问题,提出多股多层水平淹没射流新型消能型式.对这种复杂三元混合淹没水跃进行了理论分析,推导出跃前水深和跃后水深之比和消能率计算公式.对其流动的水力特性和消能机理进行了分析和试验研究,测量了消力池内压力分布规律、水面形态、流速分布和脉动压力特性.分析了出口体型参数对流态稳定性和水力特性的影响,获得体型参数与水力要素之间的关系以及变化规律.分析了多股多层水平淹没射流消能机理,尤其是强剪切消能和小尺度漩涡消能的效率和机制.研究表明,它是一种流态稳定、适应性强、低雾化、高消能率的新型消能方式,能够减轻工程建设给环境带来的不利影响,有利于工程应用.研究成果为实际工程设计提供了科学理论依据.     

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。     

淹没水跃的数值模型

在许多含有回流的复杂紊流剪切流中,回流区域内的平均流速分布与紊流脉动强度分布具有某种共同特性.根据这一性质,作者提出回流副层概念.同时,作者还把淹没水跃视为在逆压梯度下含有表面旋滚的附壁紊射流,利用回流副层概念,建立了一个淹没水跃的模型,提出其相似的断面流速分布式;并用流带积分进行数值计算,从而得到速度、长度比尺的沿程变化.数值计算结果与实验结果进行了比较,符合较好.     

高坝水舌作用下水垫塘流场的数值模拟

水垫塘是一种消能防冲结构,它的稳定性是其在高水头、大流量作用下能否安全运用的关键技术之一。本文结合溪洛渡拱坝,用数值模拟的方法模拟了二维水垫塘内的流场特征以及水垫塘底板的压力分布。根据数值模拟结果,提出水垫塘底板分区进行结构设计的方案。