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.     

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。     

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。     

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％。     

泄水建筑物水流掺气复氧数值模拟

为了深入地认识泄水建筑物掺气水流的复氧过程,该文应用水气两相流混合模型计算了包括水垫塘在内的泄水建筑物水体的掺气浓度、流速、紊动粘性系数等特征参数。应用气泡界面传质理论建立了掺气水流的溶解氧对流扩散方程。不同试验工况的结果验证了掺气复氧数学模型的合理性和可靠性,表明该模型符合坝身泄流的特点,充分体现了过坝水流对大气的卷吸与紊动混掺。     

高水头大流量竖井旋流水气二相流三维数值模拟

采用标准k-ε双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法,对某高水头水电站竖井式泄洪洞内的水流运动进行了模拟,得到流速、压力、紊动能、自由水面、压坎后掺气水深等水力参数的分布规律.揭示了竖井旋转内消能泄洪洞的一些特有的水力特性——空腔环流.模拟结果与物理模型试验结果吻合良好.此外,利用数值模拟的结果对竖井的泄流能力和消能率以及洞顶余幅进行了验证.     

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。     

旋转水流消能及其空化特性

研究了高水头（Ｈ〉２００ｍ）泄水建筑物隧洞内部消能的一种新型消能工,将竖井与隧洞切向连接,在隧洞内形式螺旋形的旋转水流,这种水流结构可消散水流中大部分能量,使流向下游的水流剩余能量较小,减轻下游的消能负担和减少下游冲刷。这种消能工的最基本的水流形态环流,在其固体边壁存在着较大的离心力,其中心为大气压,整个水流不会出现负压,流速迅速降低,空化特性较好,不会产生空化与空蚀。还分析了旋转水流的消能机理、     

陡槽自然掺气水流含气浓度分布模拟

提出分析陡槽自然掺气发展区含气浓度二维分布特征的数学模型，考虑含气浓度大小对气泡浮速和掺气水流阻力的影响以及掺气层水深的沿程变化，得出的计算结果被前人的水槽试验及原型观测资料所验证。分析自然掺气发展区与掺气坎下游浓度耗散区的主要区别，阐明了气泡上浮作用与紊动扩散作用的沿程变化特征。     

略论溢流坝消能防冲设施破坏的原因及防治措施

消能是防止冲刷破坏的一种必要措施，以使泄流能量消减和扩散不致发生下游严重冲刷危及安全为目的。一般是通过摩擦、冲击，旋滚、挑流、扩散、掺气等方式来实现，使水流发生强烈的紊动和掺混作用把动能转变为热能。本文针对溢流坝消能防冲设施被破坏的原因进行分析，并提出相应的防治措施。     

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.     

高含沙水流紊动输送

通过理论及资料分析研究了清水、低含沙水流和高含水流的紊动粘性系数变化规律。结果表明，考虑紊流相干结构的清水水流紊动粘性系数随尾迹强度的增加或减小而相应增减。低含沙水流紊动粘性系数随含沙量增加而减小，即挟沙后水流紊动强度减弱。高含沙水流紊动粘滞系数更是如此，且垂向最大值偏离中间水深向下移。紊动粘性系数与含沙量、冲刷、淤积状态有关，宾汉极限剪切力对紊动粘性系数有较大影响。     

阶梯溢流坝滑行水流掺气过程的大涡模拟

阶梯滑行水流具有较强的紊动特征和复杂的水—气自由面,其数值模拟研究具有较高的难度。文中采用数值模拟方法对阶梯溢流坝的溢流过程与滑行水流的掺气过程进行研究,并探讨其掺气机理。采用体积分数(VOF)多相流模型和大涡模拟(LES)方法,对坡度为2.5∶-1的阶梯溢流坝模型进行计算。结果表明,计算结果与实验结果较为吻合,数值模型可靠,且能够生动地模拟阶梯溢流过程和掺气过程。进一步分析得出结论:足够大的湍动能和涡结构发展是自由面变形继而发生自掺气的内部原因。     

坝身竖井族流泄洪消能的设想

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;说明了竖井中螺旋流水力参数沿程变化的一般规律和非旋下跌水舌的区别．提出了坝内竖井旋流泄洪消能的新设想,对初步设想的两个方案进行了水力计算和结构计算．计算表明坝体应力并无很大异常,可以加大坝身泄量,减轻下游河床保护措施,减免雾化．     

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.     

弯道水流紊动强度

采用先进的三维声学多普勒流速仪对水力光滑壁面的弯道水流紊动特性进行了系统的试验研究，较为全面地测量了弯道水流的三维时均流速和脉动强度等．根据试验数据，探讨了弯道水流的紊动机理，分析了弯道水流的紊动特性，得出了弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式；同时还对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行了比较．     

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,...     

紊流消能与泥沙制紊分析

在一次洪水过程中,各时点含沙量随水流紊动及摩阻比降而正变,紊流消能规律占主导;而对于一个洪水过程整体,间歇性的泥沙与水流的滑脱影响积累起来,显示出泥沙制紊作用。在河流多次洪水记录中,取洪水期平均流量大致相等的几次洪水相比较,可看出泥沙制紊作用并与试验室水槽多次稳定流实验结果一致：洪水期平均含沙量较大的洪水,其加权平均流速较大,而加权平均摩阻比降较小。反之亦然。文中用大量实际资料对紊流消能和泥沙制紊进行了论证。     

公伯峡水电站旋流泄洪洞空化特性的原型观测与反演模型试验的对比分析

依据公伯峡水电站旋流泄洪洞原型观测和反演模型试验的成果,对此类新型旋流内消能泄洪洞的空化特性进行了对比分析。分析表明:旋流洞起始段收缩环突扩断面上存在空化现象,但其程度并不足以造成壁面的空蚀破坏;原型观测观察到的旋流洞末端的沟槽破坏有可能是空蚀的结果;水垫塘进口突扩部位、水垫塘末端三角墩部位的原、模型观测结果有一定的差异,缩尺效应导致了泄洪洞内的某些水力特性不相似,小比尺减压模型试验表现出更为严重的空化特性。公伯峡旋流泄洪洞的这些关键部位的空化空蚀特性尚需进一步观测和检验。