齿墩状内消能工的消能及压力特性

输水管道或泄洪洞常见的内消能方式为孔板和洞塞,结合明渠水流中的消能工形式提出了齿墩状内消能工,并通过物理模型试验对不同面积收缩比的齿墩状内消能工进行了研究,分析了它们的过流能力、消能率、压强沿程变化及脉动压强特性.结果表明:齿墩状内消能工的过流能力主要是由消能工的体型及尺寸决定的,其面积收缩比越大,消能率越低,过流能力就越强;齿墩状内消能工的时均压强在收缩段骤降,在其后部逐渐上升,而后恢复至稳定,其恢复长度基本相同;齿墩状内消能工的脉动压强最大点均出现在收缩段后1倍圆管直径范围内,随后迅速减小,逐渐趋于平稳;面积收缩比为0.471 2的齿墩状消能工的脉动强度最小,因而其抗空化性能优于其他情况,且脉动压强最大点的压强概率密度分布接近正态分布.     

华阳河水库溢洪道泄洪消能试验优化研究

采用1∶60水力学整体模型,针对华阳河水库溢洪道除险加固初步设计方案进行了相关水力学问题的试验研究,并开展了进一步改善溢洪道消能防冲效果方案的优化试验。研究成果表明:在基本满足溢洪道泄流能力情况下,为改善原设计方案在2级消力池内水流流态紊乱,消能效果差的情况,经多方案比选论证,建议在2级消力池内布置系列消能墩,实现消能率达69.9%以上,且增加工程投资不多。优化后的2级消力池体型已经运用到工程设计中。     

外凸型阶梯陡槽段水力特性试验研究

溢洪道陡槽段设置不连续的外凸型阶梯之后,可明显降低陡槽段流速,增大泄流的消能率,简化其下游消能设施。在水力模型试验的基础上,对陡坡段坡度1∶1和1∶1.5的外凸型阶梯陡槽段泄流流态进行观察和测试,对这两种坡度的外凸型阶梯陡槽段应用条件进行分析,提出了坡度为1∶1.5的外凸型阶梯陡槽段泄流水面掺气断面位置和水深的计算方法。应用本文成果和结合前期的研究成果,可将外凸型阶梯陡槽段泄流水面掺气断面位置和水深计算的坡度范围由1∶2~1∶6扩展为1∶1.5~1∶6,并可进一步计算出相应坡度水面掺气断面下游掺气水流区段的沿程水深和消能率。     

不同突扩比下空间淹没水跃的水力计算

突扩能够使局部范围内水流紊动剧烈,可以作为水利工程中消能工的一种重要方式．为了探讨突扩比对下游流体水力特性的影响规律,基于RNG k-ε紊流模型和PISO压力-速度耦合算法,采用非均匀结构网格技术,建立了三维紊流数学模型,对突扩比分别为1000,0833,0.667,0500,0333等5种空间水跃进行了多工况数值模拟,结合试验数据,计算结果量纲一化,讨论了不同突扩比大小对下游水力性能的影响,并分析了下游流速、紊动能及消能率等随突扩比的变化规律．数值计算结果表明:突扩比对下游流速、紊动能及消能率影响显著,突扩比越小,下游流速变化越显著,主流在空间内扩散愈迅速,流态转变越明显;随着突扩比的减小,紊动应力愈小,紊动能量愈小,而消能率越大;突扩水跃较典型水跃消能效果明显增强,当突扩比小于0500时,消能率增大不再显著．     

首级台阶角度对联合消能工水力特性的影响

为了改善高水头大单宽流量阶梯溢流坝掺气特性,结合阿海水电站,通过1∶60的水工模型试验,对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的联合消能工过渡阶梯上首级台阶台面上挑5°,10°,15°,水平0°和下跌5°,10°,15°时分别进行了水工模型试验.从空腔长度、消力池的水流流态,底板时均压力、临底流速、消能率等各个方面,寻找能改善掺气特性的首级台阶台面角度.结果表明:掺气空腔长度随着首级台阶台面角的增大而增大;空腔最大负压随着台面角的上升而减小,且随着台面角的上升,最大负压从第2级阶梯的立面转移到第1级阶梯的立面;消能率随着首级台阶台面角的增大而略有增大,首级台阶台面上挑消能效果略优于下跌或水平.首级台阶面上挑15°为掺气效果最好的过渡台阶衔接体型.     

拦河闸下游消力池陡坡段阶梯布置和研究

拦河闸下游河道河床下切、水位降低之后,其下游消力池需改造或重建,或者在保留现状消力池条件下,在现状消力池下游修建二级消力池,以确保拦河闸泄流的消能及其上、下游水流衔接过渡。通常,可在一级消力池下游陡坡段设置不连续的外凸型阶梯,增大陡坡段泄流消能率,以减小下游二级消力池的规模,节省工程投资。本文结合现有的研究成果,对拦河闸下游两级消力池之间陡坡段的外凸型阶梯布置和水力计算方法进行分析,并给出相应的算例,供类似工程设计参考。     

切向入流旋流竖井在深圳市前海-南山排水深层隧道中的应用研究

为探究切向入流旋流竖井的水力特性,采用物理模型手段,结合深圳市前海-南山排水深层隧道中郑宝坑渠旋流竖井方案,研究旋流竖井内的水流流态、消能特性、排气效果及特征压力值。结果表明：各工况下进口位置处水流逐渐形成水翅,进入竖井后沿内壁形成螺旋跌落流,水流流态较好,当竖井流量极小时竖井内无法形成螺旋跌落流,水流进入竖井后呈射流形态跌落至竖井底部;旋流竖井总消能率在81.9%～89.5%之间,消能率随着流量的增大而逐步减小;旋流竖井相对于传统水工旋流竖井,具有消能效果好、结构简单等优点,在城市深层排水系统中具有较大的应用空间。     

掺气坎组合首级台阶对阶梯溢流坝面的影响

为了避免阶梯溢洪道中前几级阶梯表面发生空蚀破坏,在对阶梯溢洪道的设计中加入掺气坎,形成前置掺气坎式阶梯溢洪道.通过对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的联合消能工过渡阶梯首级台阶台面取4个角度、前置掺气坎取2个角度共8种组合工况分别进行水工模型试验,改变水库流量,从空腔长度、水面线、负压、底板时均压力、消能率等方面,寻找改善水力特性的过渡台阶衔接体型.结果表明:掺气空腔随着首级阶梯台面角和掺气坎增大,与阶梯坝面分离空间更大,水流挑射更高,空腔更长且工况2的空腔长度均大于工况1的空腔长度;随着掺气坎和首级阶梯台面角增大,溢流坝阶梯面最大负压绝对值减小;消力池底板压力和水面线变化不大,消能率增大.在8个方案中,前置掺气坎角度为10°、首级阶梯台面角度0°时的方案5最优.     

台阶式溢洪道消能规律

为探讨台阶式溢洪道消能特性及水流的紊乱特性规律,将台阶式溢洪道与对应光滑溢洪道对比研究,通过试验数据计算出台阶式溢洪道消能率、阶顶断面弗劳德数,试算求出对应光滑溢洪道水力参数,用台阶式溢洪道消能率减去对应光滑溢洪道消能率得到相对消能率,光滑溢洪道断面弗劳德数减去对应台阶式溢洪道阶顶断面弗劳德数得到相对弗劳德数.两水力参数反映了台阶式溢洪道相对光滑溢洪道对消杀能量大小及水流紊乱剧烈程度.通过对26.57°,32.01°,33.69°,38.66°,51.3°这5组不同坡度,1.43~6.67 cm台阶高度的21组模型试验研究,探讨了相对消能率和相对弗劳德数之间关系,结果表明相对弗劳德数和相对消能率沿程呈线性关系,相关系数为0.993 7~0.999 5.且相同相对弗劳德数,单宽流量大对应相对消能率也大;台阶高度变化对直线关系影响很小;坡度对直线关系影响复杂,较小坡度同一单宽流量,坡度越大相对消能率越小,坡度较大时同一单宽流量,坡度大对应相对消能率大.相对消能率和相对弗劳德数的直线规律体现出台阶式溢洪道独特的水力特性,为探究其消能机理提供了重要依据.     

阶梯凸起数量对一体化消能工水力特性的影响

基于阿海水电站5孔溢流表孔,在掺气坎高度1 m、角度10°的条件下,对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行阶梯凸起数量分别为0,1,2,3的4种过渡阶梯进行水工模型试验,分别从水流流态、消力池水面线、近底流速、负压、时均压强以及消能率等多个水力特性进行研究.研究结果表明,近底流速随着可掺气空腔体积的增大而减小,随着阶梯凸起数量的减少而增大,在二者相互作用下,各方案流速在消力池末端达到最小,其中方案2流速最小,为22.23 m/s;由于可掺气空腔体积和凸起型阶梯的数量的共同影响,方案2的负压最小,达-33.66kPa;方案1,2,3,4的消能率依次为59.56%,61.06%,60.37%,59.99%.方案2的消能率最高.     

离心泵叶轮内部湍流动能及耗散率分析

本研究基于雷诺时均N-S方程,采用k～ε湍流模型,对标准离心泵叶轮内部湍流进行了数值模拟。采用质量加权平均湍流动能及湍流耗散率的方法,分析发现湍流动能和湍流耗散率沿半径的分布有十分相似的规律;除0.6Qd设计工况,湍流动能和湍流耗散率分布呈现出先增加,随后减小,最后增加的现象;0.6Qd设计工况下,湍流动能和湍流耗散率最大,流体能量损失最为严重,因此从效率方面考虑,应避免泵在小流量工况下运行。     

斯木塔斯台阶式陡槽溢洪道水力特性模型试验研究

斯木塔斯水电站原设计方案泄水建筑物中溢洪道采用了台阶式消能方式,为了论证在高水头,小单宽流量下台阶式溢洪道应用的合理性,有必要对设计方案进行模型试验的研究.借助大比尺的模型试验,对该溢洪道段的流态,压强,掺气,消能率等进行了现测.试验结果表明各项水力特性良好,消能效果显著,满足工程实际的需要,为工程决策提供了科学依据....     

三道湾水电站正常溢洪洞及泄洪排

试验表明，三道湾水电站原设计存在以下问题：泄洪排沙洞单独全开运行工况下，其进口上方存在贯通性吸气漏斗漩涡；正常溢洪洞进口侧收缩十分严重，泄流量不足，闸后存在水翅、折冲波等不良流态，下游消能效果不佳；针对实际情况，试验通过在泄洪排沙洞进口增设消涡格栅，在正常溢洪洞进口设置椭圆形导墙、延长闸后收缩段，下游采用扩散挑流消能等措施，很好地解决了上述问题。     

U形渠道圆柱形量水槽的试验研究

选择了3种收缩比,分别为0.701、0.636和0.476,在U形渠道上对圆柱形量水槽进行了一系列的试验。试验结果表明,圆柱形量水槽的行近断面总水头H1与驻点水头Hs存在很好的相关性,相关系数等于0.9984。圆柱形量水槽的流量系数Cd不仅与相对水头Hs/L有关,与收缩比ε大小也有明显的关系,Cd随着Hs/L和ε的增大而增大。根据试验数据拟合的流量计算公式简明实用,自由出流时的流量计算平均误差不超过3.92%。     

梯形渠道机翼形量水槽试验

基于Hager对圆锥筒及圆柱体量水槽测流原理分析,推求出梯形渠道机翼形量水槽在自由出流时的流量理论计算公式,指出流量校正系数可由相对水头确定.选择6种收缩比进行了一系列室内模型试验,并根据试验数据建立了相对流量与相对水头的无量纲关系式.结果表明,相对流量与相对水头具有良好的相关关系,流量计算最大相对误差为±3.5%,该量水槽临界淹没度可达0.90,控制断面收缩比为0.372～0.585时可得到较好的量水效果.     

齿型迷宫灌水器抗堵塞性能分析与结构优化模拟

【目的】揭示齿型迷宫流道灌水器物理堵塞的内在流动特性成因,同步优化提出高抗堵型齿型灌水器流道结构。【方法】基于CFD数值模拟技术中的Workbench数值计算平台,对5种不同齿型流道结构(含改进后流道结构)的灌水器进行水砂两相流数值模拟计算,分析了不同齿型结构水流流速、流道内湍动能、湍动能耗散率分布规律及物理颗粒运动轨迹等。【结果】提出了齿型流道结构优化改进方案,优化后的流道结构增加了灌水器内低速区域面积和低速区域湍动能值,区间湍动能范围同比最高提升了52%～200%,同时提高了物理颗粒的运移速率,减少了颗粒运移路程和滞留时间,提升了齿型迷宫灌水器的抗堵塞性能。【结论】齿型流道灌水器的抗堵塞性能与流道内低速区的流体速度及流道内湍动能大小分布密切相关,流速和湍动能较大的区域不易造成堵塞;湍动能最大值均出现在主流区,并且在齿尖迎水区达到最大;湍流动能耗散率分布与湍动能分布具有十分相似的规律,湍动能耗散最严重的区域分布在齿尖处,齿尖结构对灌水器的消能效果起关键性作用。     

消能坎水力计算的可靠性分析

为了消除传统消能坎水力计算方法的不足，根据可靠性理论对消能坎的水力计算进行了研究，其水力计算准则是泄水建筑物下游形成低淹没度水跃。利用低淹没度水跃保证率的概念，使用一次二阶矩计算方法，对消能坎的水力计算提出了简单可行的方法。改进了传统的确定性设计。     

脉冲液-气射流泵能量平衡

应用能量平衡分析方法,得到脉冲液-气射流泵内能量损失的压力比表达式,分析其传能及传质的机理和主要影响因素,研究了主要流动部件的能量损失变化对脉冲液-气射流泵性能的影响,并进行了相应的试验研究和数值研究.研究可知最优面积比的液-气射流泵应是在较大的流量比区间具有较好的压力比,通过5个面积比的试验得到最优面积比为4.34.研究结果表明：主要流动部件的能量损失的理论分析与试验结果基本一致;计算了主要流动部件的能量损失压力比,分析其与面积比和流量比的关系;脉冲射流频率、射流泵的面积比、流量比和射流泵喉管长度是影响射流泵能量平衡和液-气射流泵能量特性的主要因素.通过各面积比下,脉冲与恒定液-气射流泵能量损失压力比、性能、效率的试验数据进行对比研究,验证了脉冲射流是提高液-气射流泵效率的有效途径.