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。     

台阶式溢洪道水力特性计算方法分析

提出单纯台阶式溢洪道的水力设计方法。对比分析了台阶式溢洪道的水流流态、自掺气发生点以及消能效果,推荐Yasuda公式作为滑行水流和跌落水流界限的判别式,提出了自掺气发生点和消能率的统一计算公式,给出了台阶段水面线的计算方法。所得成果可以作为单纯台阶式溢洪道的工程设计参考。     

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。     

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。     

跌落水流时台阶式溢洪道消力池跃前断面压力修正系数

台阶式溢洪道与平底消力池连接,在跌落水流流况下,比较跃前断面压力修正系λ=1和λ>1两种情况,当λ=1时消能率普遍偏大,其消能率的相对误差最大可达7%左右,随Hdam/yc增大,误差减小。当坝坡相同、坝高一定时,台阶个数与消能率无关,并不影响其误差的大小。λ值与yp/y1呈现非常好的线性相关性,其相关系数r=0.9999以上。     

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％。     

陡坡台阶式溢洪道中的水翅现象

水翅是陡坡台阶式溢洪道在流量较小时出现的一种水流现象。模型试验表明:当斜坡角度为40°～60°时,水翅存在于几乎整个跌落水流范围内,甚至持续到过渡水流;随着溢洪道底坡的增大,水翅存在的流量变化范围增大、高度增加;随着台阶尺寸的减小,水翅高度降低,所存在的流量变化范围缩小。     

折板型竖井湍流耗散及消能机理分析

为了研究泄流过程中折板型竖井的湍流耗散特性及消能机理,对9种不同体型的竖井开展水力模型试验与数值模拟,分析不同流量下竖井内湍动能、湍动能耗散率和水动力荷载分布规律,建立折板消能计算模型,探究竖井消能机理.结果表明:折板间距过密或过疏均不利于竖井的泄流和消能,在设计流量下竖井内的流态为自由跌水流时,对应的最小折板间距为最优结构设计;10°折板倾角可提升竖井的消能效果,并减小折板上水动力荷载;建立的折板消能计算模型可较为准确地计算自由跌水流态下的消能率;竖井消能方式分为入口消能、折板消能和井底消能,不同流量下各种消能方式的能耗占比不同,小流量时以折板消能为主,随着流量的增加,入口消能和井底消能的能耗占比随之增大.     

固定锥形阀特性参数及流动特征的仿真分析

固定锥形阀应具备良好的水力特性以满足管线系统中不同工况的调流和消能要求,以DN1200锥形阀为研究对象,利用计算流体力学(computional fluid dynamics,CFD)方法分析不同开度下的稳态工况及开、关阀过程的瞬态工况,通过对比流量系数、流阻系数、排放系数、汽蚀系数、消能率等阀门特性参数及套筒闸的动静态不平衡力和阀内流场分布等,全面分析了固定锥形的水力特性。结果表明,流量系数和排放系数具有较好的线性特性,其过流能力随开度增大而线性增加。流阻系数和消能率曲线的变化趋势相同,小开度时对水流的流动阻碍和能量损耗作用明显,开度增大后流阻系数和消能率迅速减小。汽蚀系数表征实际工况中的汽蚀可能程度,在设计流量工况下,各开度对应的汽蚀系数呈抛物线变化趋势。另外,由于流动和启闭同在轴向,故套筒闸主要受到轴向的不平衡力;稳态不平衡力与水流方向相同,而开关阀过程的瞬态不平衡力均与水流方向相反,且关阀力略大于开阀力。最后,分别以各开度下的压力、流速、湍动能和湍流耗散率等流场分布对固定锥形阀的流动规律进行说明。     

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.     

隧洞进水口及洞内消能水工模型试验研究

针对实际工程中的发电引水隧洞运行的各种工况进行了水工模型试验研究 ,指明要获得良好的水流流态 ,过水建筑物各部位结构轮廓的造型应适应水流流线的收缩、流速及压强的变化 ;为使引水隧洞在各级引水流量下能安全可靠地运行 ,需慎重确定洞内消能工的体形和尺寸     

影响阶梯-深潭结构消能率的主要因素分析

阶梯-深潭系统是山区河流广泛分布的重要河床结构,探究其形态和尺寸的规律对于认识山区河流稳定性及河床演变具有重要意义.以探究影响阶梯-深潭结构消能率的因素为目的,通过选取野外发育良好的阶梯-深潭典型跌落式和滑落式结构,实测阶梯高度、深潭容积等基本参数,计算消能率的大小,并通过数据分析影响消能率的主要因素.结果表明:流量容积比、阶梯-深潭高长比γ和出流方式对阶梯-深潭的消能率有较大影响,随着α和γ的增加,消能率逐渐降低;当α大于0.084、γ大于1.100时,滑落式的消能效果普遍优于跌落式.该研究结果为工程中选择适当的阶梯-深潭结构体型、尺寸提供了理论依据.     

坝身竖井旋流泄洪消能的设想

简述了竖井螺旋流泄洪水流稳定,消能率高等特点,给出了这种泄洪消能方式的水力计算方法,它计及了沿程的压强变化,比较真实地反映了螺旋流的特征,控制方程和以往不同;     

威远江水电站泄水建筑物消能方案试验研究

通过威远江水电站泄水建筑物的整体模型试验,研究了泄水建筑物消能工的消能效果,发现了其主要问题为溢洪道挑流坎挑流消能时,当泄流量较大时的挑距过大,挑流水舌不能与下游水流很好衔接.泄洪洞挑流坎挑流消能时,当泄流量较小时,挑距较短.经过试验研究提出了修改解决方案,并经试验验证得到较好的消能效果,为工程设计和施工提供了可靠的设计依据.     

兰督水利枢纽溢洪道挑流鼻坎体型试验研究

兰督水利枢纽溢洪道泄洪的水流与河道正交、顶冲回流、消能防冲等问题较为突出，本文在理论计算的基础上，通过水工模型试验优化、检验、设计出较完整的扩散扭曲挑流鼻坎体型，与原设计的单侧平面扩散舌形挑流鼻坎体型相比，坎后水流流态及消能效果有了很大的改善。     

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。     

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。     

输水工程中压力管道出口水流消能方法的试验研究

结合万家寨引黄输水工程,对压力管道出口高速水流的消能问题进行了试验研究.在无控制自由泄放的情况下,试验确定了多喷孔射流消能竖管周边的开孔大小、布置方式及建筑物体形尺寸.在落差大、流量变幅也大的情况下,确定支管长度为26 m,糙率为0.011 4时,两支管同时过水满足流量10.02 m3/s,且其消能率达到90%以上,保证了有压管流输水的运行条件和水流平稳进入西干渠.所得结论与实际运行情况相符.     

阻塞对水平旋流泄洪洞水力特性的影响

通过模型试验,对旋流阻塞复合式泄洪洞的流态与水力特性进行了研究.研究结果表明,在竖井为有压流的条件下,旋流阻塞复合式泄洪洞的流态可分为阻塞完全与阻塞不完全空腔旋流二种基本流态;设置阻塞后,泄洪洞的流量有一定的减小,水平旋流洞段的壁面压强增大、旋流角增大,空腔直径减小,通气量变化规律更为复杂.设置阻塞后,除泄流量有一定的减小而对工程不利外,其它的阻塞效应均对工程有利.因此利用其阻塞效应,可进一步降低结构设计与防护措施,降低工程风险,提高消能率.