基于响应面法的跌坎消力池优化设计研究

消力池的优化设计一直是水利工程领域的热点课题.为此基于三维CFD数值计算和响应面优化方法,对某水库工程的消力池进行了优化设计.根据响应面法,建立了以消能率和工程经济函数为优化目标,跌坎深度和消力池池长为优化变量的优化模型.研究结果表明:跌坎深度和消力池池长对消能率和工程经济函数影响显著.最优参数组合为跌坎深度7.07m、消力池池长70.0m.优化后的消力池方案在考虑工程造价的基础上消力池内水流流态得到显著改善,消力池消能率得到提升.在优化设计体型下,消力池消能率62.68%,最大出池流速5.27m/s.相比变量区间内消能率最差的体型,在工程经济函数提高17.60%的情况下,消能率提高了20.88%;相比变量区间内的工程量最大的体型,节省30.78%的工程量,消能率仅降低了6.91%.     

重力坝下游宽尾墩联合消能工三维数值模拟

宽尾墩消力池在水利枢纽工程中已经得到广泛的应用,而中高水头宽尾墩消力池内部流场较为复杂,运用物理模型试验结合数值模拟旨在实现水利工程中消能工体型优化的目的。针对物理模型试验难以得到的详细的各项水力学指标,采用RNGk-ε双方程紊流模型和VOF方法对宽尾墩消力池联合消能工的泄洪流场进行三维数值模拟,获得了泄洪流态、流速、水面线、坝面、闸墩和消力池底板压强的分布规律。数值模拟计算和物理模型试验数据的对比分析研究,两者吻合较好,表面数值模拟分析方法能满足工程需求。     

不同入水仰角对底流跌坎型消力池水力特性影响试验研究

采用水工模型试验对跌坎型底流消力池这一较新型的底流消能方案进行研究.重点研究反弧段不同的入水仰角角度,对跌坎消力池内的水流特性及消能效果的影响.研究表明与跌坎相接的反弧段仰角为5°～10°时,可以使消力池内水流更快趋于平稳,降低临底流速,并减小底板所受冲击压力和防冲保护难度.论文研究成果对如何确定跌坎消力池反弧段挑角角度具有工程意义.     

威远江水电站溢洪道挑流鼻坎数值模拟优化研究

针对威远江水电站岸边式溢洪道挑流消能存在的问题,采用RNGk~ε双方程模型模拟湍流,利用流体体积分数法(VOF)确定自由水面线,采用非结构网格与自适应局部网格加密的方法,成功地对溢洪道挑流鼻坎挑流进行了三维紊流数值模拟,并利用数值模拟方法对挑流鼻坎的修改方案进行了研究,并经过计算提出了较优方案,并经试验验证得到较好的效果,为威远江水电站设计与优化提供了可靠的设计依据.     

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。     

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。     

圆弧形鼻坎挑射流空中消能率的试验研究

运用量纲方法分析了圆弧形鼻坎挑射流空中消能率的影响因素,采用两个系列共5种圆弧形挑流鼻坎模型,研究空中消能率与鼻坎体型参数和射流起挑断面弗劳德数的关系。试验结果表明起挑断面弗劳德数和鼻坎挑角对空中消能率的影响较大,相对反弧半径对空中消能率的影响可以忽略。据试验数据拟合的空中消能率的计算公式是鼻坎挑角和起挑弗劳德数的函数,拟合公式计算值与试验值的误差小于8%。     

小挑角跌坎加浅水垫消力池水力特性试验

为了解决大单宽、低弗劳德数、上下游水位变幅大、运行方式多变的闸坝工程中存在着消力池适应性差、运行方式不灵活的难题,以汉江旬阳水电站工程为例,通过多种消力池消能方案的水力特性对比试验,提出了小挑角跌坎加浅水垫消力池方案.该方案出闸水流经小挑角跌坎调整扩散后,各工况均能在消力池内形成淹没水跃,出池水流平稳、无跌落,与下游衔接自然,消能效果较好,闸门开启运行组合及开启方式灵活.     

新型宽尾墩和阶梯式溢流坝面一体化消能工数值模拟

将宽尾墩、阶梯溢流坝和消力池联合起来形成一体化的水工消能设施,充分利用了宽尾墩和阶梯溢流坝的优点,单宽流量比纯阶梯溢流坝可增大数倍.采用k-ε双方程紊流模型对这种一体化消能工进行了三维数值模拟,描述了在索风营水电站应用的X型宽尾墩,给出了模拟得到的大曲率水气交界面、宽尾墩墩体压力、消力池压力及流速分布,并与模型实验结果进行了对比,吻合良好.研究结果表明,X型宽尾墩、阶梯式溢流坝面和消力池一体化设施的消能作用是良好的.     

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.     

水流对尾槛的冲击力

泄水工程中大量应用设置尾槛的消力池,水流对尾槛冲击力的研究,国内外多采用模型实验和经验公式的方法,现从动量理论出发探讨了水流对尾槛的冲击力,并对现行规范提出一些看法。     

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。     

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。     

“戽底设窄缝混合消能”在桥巩水电站低坝的应用

把收缩式消能工用在低坝戽式消力池里进行混合消能,水工模型验证结果表明,同样取得显著的消能效果,还使消力戽具有自我清理推移质的能力。     

水跃消能对闸基渗流稳定的影响分析

水闸泄洪时,下泄水流的势能转化为动能,导致出闸水流的流速增加和水面下降,从而形成附加渗透水头．研究了闸孔泄洪条件下水跃区附加渗透水头对闸室基底渗流稳定的影响,结果表明：为保证工程安全,在进行闸基的防渗布置时不仅要考虑静态渗透水头的作用,还应考虑下泄水流水位变化所引起的附加渗透水头对闸基渗流稳定的影响．提出了减小附加渗透水头的工程措施,冒水孔应设置于消力池末端,而将消力池前段设为不透水底板,以利用跃后高水来提高渗流出逸点的压力水头,从而达到减小附加渗透水头的目的．     

“陡坡+跌坎”式消力池板块稳定特性试验研究

通过大比尺(1∶40)物理模型,对某大型水电工程溢洪道"陡坡+跌坎"式消力池这一新型消能工底板稳定性进行了试验研究,得到了水跃完全或部分发生在陡坡段时,消力池不同位置板块的脉动压力、板块上举力频幅特性的分布规律与特征.试验表明水跃跃首部位始终是板块最易失稳区域,当单宽流量达到一定值后,跌坎下一段区域也是失稳重点关注区.对试验结果深入分析后表明:水跃跃首区域上举力均方根大致为脉动压力均方根0.55倍,其它区域为0.2倍,水跃跃首区域最大上举力大致为4.2倍脉动压力均方根,其它区域为1.5倍.揭示了此消能工上举力与脉动压力点面转换指标、底板稳定控制指标与挑跌流消力池的一致性;而消力池平底段采用透水底板可有效降低板块上举力,减小响应趋势基本呈指数分布,并与开孔率呈正比关系.     

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。     

槛下分散输水系统在高水头船闸中的应用

通过优化阀门和门楣体型、设置门楣通气管、合理设计门槽尺寸、阀门间歇开启的灌、泄水方式，以控制最大流量；采用顶部突扩的廓道体型，在输水系统构筑物设计中采取水流得到充分消能的措施，解决了高水头船闸槛下分散输水系统应用中的空化、消能等水力学问题。     

大江水库溢洪道消能工优化研究

用水工整体模型试验方法重点研究了广西荔浦县大江水库溢洪道消力池的池长、尾槛高度,池内消能工的作用,以及下游垭口不同开挖程度对泄洪和消能的影响,优化了消能工的型式、尺寸及布置。