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.     

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.     

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.     

溢洪道贴角斜挑坎挑流水舌水力特性研究

溢洪道出口挑坎体型的设计会依据工程的需求而有所不同.通过模型试验和数值模拟结合的方法,将常规的斜切式挑坎与加贴角的斜切式挑坎的水舌形态、水舌挑距、挑高、水舌及下游紊动能和紊动能耗散率进行比较分析,得出了加贴角后斜挑体型的新的特征.对于狭窄河道大交角溢洪道,加贴角斜切式挑坎能够使挑流翻转偏向一侧,有利于挑流的归槽,减小了入水宽度和对单侧岸坡的冲刷,且挑流在空中运动时紊动剧烈,砸落水垫时紊动能耗散迅速,有利于下游消能防冲.     

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%.     

低水头缓坡溢洪道挑坎体型优化试验研究

某低水头电站因工程需要采用的缓坡溢洪道挑流消能效果不理想,对右岸岸坡和河床冲刷较为严重.试验研究了两种挑坎体型下出坎水舌形态、落水点及对下游河床的冲刷,推荐采用的差动坎方案能使水流纵向扩散更充分,减轻水流对下游的冲刷,消能效果显著.论文对该类工程泄洪消能设施布置原则进行了总结,对类似工程有借鉴意义.     

多孔出流泄洪消能特性与场地振动响应分析

为研究多孔出流泄洪消能特性与场地振动响应,文章以向家坝工程为例,参考原型调度情况,模拟4种不同调度方式下的泄洪过程,得到4种计算工况下流场、冲击压强、紊动能与紊动强度值,从水动力学角度分析不同调度方式下的消能特性以及消力池处紊动强度与场地振动响应的关系。结果表明：各计算工况泄洪消能效果良好;泄流量一定且开启孔口数相同时,通过改变孔口调度方式可进一步提升消能率;消力池底板和边墙处紊动强度计算幅值与原型观测振动加速度峰值显著相关,其中底板处紊动强度与场地振动正相关,边墙处紊动强度与场地振动负相关。根据计算结果,文中提出可供实际工程参考的优选调度方案。     

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。     

宽尾墩—跌坎消力池脉动压强试验研究

宽尾墩与跌坎消力池联合消能使跌坎消力池内的水力参数更加复杂,研究消力池底板的脉动压强特性对宽尾墩体型设计具有参考作用.基于模型试验研究5种收缩比(a=0.38;0.44;0.50;0.56;0.62)Y型宽尾墩与跌坎消力池联合消能下消力池的脉动压强特性.试验结果表明：脉动压强峰峰值可以达到设计水头的1.03～1.36倍,收缩比的减小可以削减峰峰值,消除跌坎后的负压;消力池底板脉动压强均方根沿程呈现单峰与双峰型,最大脉动压强系数出现在跌坎之后,减小收缩比使消力池主要脉动消能区域增大前移,最大脉动压强系数降低;脉动压强概率密度基本符合正态分布,存在正偏与负偏现象,水流速度偏向底板为正,偏离时为负;消力池底板脉动压强主要由10 Hz以内的低频脉动组成,随着收缩比的减小,消力池前端的脉动能量增大,后端脉动能量减小.     

消力池尾坎坡度对底板脉动压强特性的影响试验研究

消力池底板脉动压强特性对消力池底板安全稳定具有重要意义,基于模型试验研究4种尾坎坡度(i=1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.2)消力池的底板脉动压强特性,为消力池的设计提供参考.试验结果表明：消力池底板脉动压强概率密度分布函数基本服从正态分布,相比标准正态分布,其峰更加高瘦,且有正偏或负偏现象.消力池尾坎坡度增大,底板最大脉动压强强度系数减小,优势频率降低,底板前部与后部的脉动压力差值减小,尾坎附近(X/L>0.81)测点区域脉动压强瞬间空间相关系数减小、涡旋的保持性降低、脉动能量集中的频带变宽,消力池前、中部(X/L<0.61)测点区域脉动压强相关系数增大、空间积分尺寸增大,涡旋保持性增强.     

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%。     

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.     

公路排水跌坎急流槽新型消力池出流冲刷试验

为增加公路排水跌坎急流槽安全稳定性,对公路排水跌坎急流槽常规跌水消力池及3种新型跌坎消力池出流冲刷模型进行试验.结果表明:跌坎高度、水流相同时,跌坎急流槽消力池后冲坑最大冲深从小到大依次为跌水台入流消力池、副消力池出流消力池、台阶出流消力池和常规跌水消力池;跌坎急流槽消力池跌水台入流消力池构造深度越深,出流后冲坑最大冲深越小,而常规消力池构造深度越深,出流后冲坑最大冲深越大;从工程安全与经济考虑,跌水台入流、台阶出流消力池结构形式可大大减少消力池工程开挖量,消能设施稳定性明显增加;3种新型消力池可大大缩短出流后加固铺砌长度,综合使用后减冲防灾效果更为显著.     

宽坦式急流河道闸坝工程消力池模型试验研究

通过对具有代表性的某宽坦式急流河道闸坝工程进行水工模型试验,根据闸后水流特点,总结了该类工程消力池设计需要注意的重点.试验研究表明:为了确保推移质能够顺利地通过消力池随水流带往下游,尽量减少池内淤积,同时消力池出池水面与池后下游河道水面较好的衔接,宽坦式急流河道闸坝工程闸后消力池内水流消能不能太充分,消力池深度和长度不能太深和太长,使出池水流具有一定的能量,有利于排沙和与下游河道水面的自然衔接.试验成果可为具有相同工程特点的消力池优化提供借鉴.     

低坎分流墩消能工削波机理及其体型设计

为了低坎分流墩消能工的推广应用,以低佛氏数(Fr)水流的表面波浪作为研究对象,在揭示低坎分流墩消能工的削波机理基础上,提出了该消能工的体型设计方法,并将其应用在金鸡滩水利枢纽进行物理模拟验证。研究结果表明,利用经验公式设计出的低坎分流墩消能工,消除了低Fr水流水舌摆动的根源,改善了下游水流流态,下游水流表面波浪较小,削波效果显著。研究成果丰富了低坎分流墩消能工技术,为低坎分流墩消能工技术在实际工程中推广应用提供了理论依据。     

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.     

基于正交试验泄洪放空洞掺气坎特性数值模拟研究

在泄洪放空洞的设计中,通常会设置掺气坎达到掺气减蚀的效果.合理的掺气坎结构设计能够在掺气坎底部形成良好的掺气空腔.设计L16 (5⁴)正交数值模拟试验,通过试验结果可知,随着坎高、挑角、流量和下游坡度的增加以及上游坡度的减小,挑距、净空腔均增加,空腔形态明显优化.对于挑距,影响程度：下游坡度>坎高>水平挑角>来水流量>上游坡度;对于净空腔长度,影响程度：坎高>下游坡度>水平挑角>上游坡度>来水流量;对于回水高度,影响程度：坎高>来水流量>下游坡度>水平挑角>上游坡度.     

低佛氏数消力池三维紊流数值模拟

文章结合某低水头泄水闸设计实际资料,提出了一种新型悬栅消力池,建立了用于研究泄水闸消力池三维紊流的网格模型,利用标准k-ε紊流模型,并采用VOF自由表面追踪法及通过数值模拟,对悬栅消能工和传统SAF型消能效果、流态分布等方面进行对比研究,在此基础上进一步分析了悬栅消力池内流场流态、紊动能分布等水力特性,揭示出悬栅消能工能够应用于底流消力池,并提高低弗氏数水跃消能效率、改善出池流速分布的机理,为今后采用数学模型设计和优化此类工程提供了较好的参考依据。     

“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.     

消力池底板混凝土磨蚀智能检测与数值仿真

水工混凝土磨蚀损伤是造成消力池破坏的主要原因，长期发展会对水利枢纽汛期行洪安全产生威胁。该文采用自主研发的水下机器人(remotely operated vehicle, ROV)对消力池底板磨蚀损伤进行了全面探测，根据骨料暴露比(aggregate exposure ratio, AER)量化表征磨蚀损伤程度，阐明了消力池底板磨蚀分布规律，并通过三维数值模拟进一步分析了消力池水动力要素对底板混凝土磨蚀的影响。结果表明：AER能有效反映水工混凝土磨蚀损伤情况，消力池前段及尾坎附近区域底板磨蚀破坏程度较高。高流速及尾坎附近的淤积回流作用是消力池底板磨蚀的重要因素，水跃漩滚区水气掺混效应减缓了磨蚀破坏，消力池前端无明显负压区，但流速较大，容易产生磨蚀等问题。研究成果对消力池的安全运行与结构评价具有显著的应用价值与推广意义。