台阶式溢流坝消力池底板脉动压强特性研究

为了研究台阶式溢流坝不设反弧段连接时消力池底板脉动压强特性,采用物理模型试验方法,对某水库台阶式溢流坝消力池底板脉动压强特性进行了研究。结果表明,消力池底板脉动压强是随时间变化的平稳随机过程;脉动压强强度和峰值沿程先逐渐增大,在水流冲击区出现最大值,最大值可达1.198 k Pa,随后沿程逐渐减小,且随上游来流量的增加而增大;水跃区脉动压强随台阶高度的降低而增加;消力池底板脉动优势频率为0.01~4 Hz,属低频振动,其概率密度分布为偏态分布。     

引水岔管水力特性三维数值计算

利用 - 紊流数学模型，对某抽水蓄能电站75º非对称引水岔管水力特性进行了三维数值计算，分析了不同工况下该体型岔管的压强分布﹑流速分布﹑压强与流速沿轴线变化、以及水头损失，其中水头损失计算值与试验值进行了比较。最后，对岔管体型和运行方式提出了建议。     

某水电站泄洪底孔消能工体型优化

针对某水电站消能区狭窄、左岸水电站尾水渠易受到影响的问题,为了将水舌导向消力池中央,进行了挑流导向方案和面流扩散方案体型优选,最终推荐体型为面流扩散式消能工,并采用模型试验和数值模拟相结合的方法对原设计体型和推荐体型的流态、底板时均压强、脉动压强、流速分布、冲刷特性和消能率进行了对比研究.结果表明：原设计窄缝方案消能效果良好,但水舌主流集中在左右岸两侧,造成了两岸局部冲刷;而面流扩散式方案使下泄水流形成自由面流流态,并快速扩散至整个河道,消能区扩大,有效地降低了底板时均压强、脉动压强、临底流速,且流速和压强分布更加均匀,使得下游河道的冲刷坑深度减小了34%,冲刷范围减小了35%,保障了左岸水电站的安全运行,推荐方案可为类似工程提供参考.     

高水头单侧渐扩消力池水力特性数值模拟研究

为研究单侧渐扩消力池水力特性,采用RNG k-ε双方程紊流模型,结合VOF方法,对消力池内水流进行了数值模拟。将计算得出的水面线、压强、流速与模型试验结果进行对比。结果表明:数值模拟与模型试验得到的结果基本吻合;深入分析发现,水流在渐扩侧尾部产生立轴漩涡;跃首旋滚横轴在渐扩侧向上游移动,跃尾横轴在渐扩侧向下游移动;对比计算紊动能和试验脉动压力发现,紊动能在一定程度上反映脉动压力分布情况;反弧段及消力池底板前部脉动压力较大,设计上应对这些区域加强防护。     

窄缝式挑坎体型及动水压强特性分

通过窄缝式挑坎的体型布置、动水压强特性等资料的总结和分析研究，对窄缝式挑坎的体型布置和反弧收宿段动水压强的计算方法进行探讨，将反弧收缩段的窄缝式挑坎动水压强分为两部分：一为反弧段曲率边界引起的离心惯性力，二为窄缝挑坎水流横向收缩产生的附加动水压强。通过分析研究和水力模型试验，提出了窄缝式挑坎最大动水压强的估算式。研究成果可供工程设计参考。     

湿地植物生长对水流特性影响的实验研究

针对云南滇池高原湖泊湿地植物生长种类,采用水槽实验,进行了三种流量、三种不同生长期植物的植物带前、中、后断面沿程流速和垂线流速分布的实验,通过水槽实验研究,分析了植物生长对水流结构影响机理。实验研究表明:①种植物时,植物带前各断面流速比无植物时都有一定的减小,植物对水流有明显的阻滞作用。植物带段过流流速沿程逐渐增加,在一定距离后达到最大值;同一流量条件下,随植物的生长,对水流的阻滞作用越明显,流速变化越大。植物大小一定时,流量越大,植物中流速达到最大值的距离越长。②植物段水流垂线流速分布与明渠恒定流垂线流速分布规律有所不同,植物底部流速比明渠恒定流要小,水面流速比明渠恒定流要大;植物带后水流流态恢复到明渠恒定流流态需要一定的距离。     

含刚性粗糙元渠道水流流速分布试验研究

【目的】探索渠道内刚性粗糙元对水流流速分布的影响。【方法】用三维超声波多普勒流速仪(ADV)采集水流稳定后不同位置的流速值,并对获取数据进行平均化处理,分析了不同流量、不同粗糙元布置形式和不同粗糙元形态下明渠中非淹没刚性粗糙元前后水流流速结构和淹没刚性粗糙元后尾流结构,着重研究水流纵向流速u的纵向分布结构。【结果】①非淹没圆柱体试验,在不同流量、不同圆柱体排数下,流速u的流速分布相同;②淹没粗糙元在y方向使水流形成了1个3层的速度剖面,3层水流流速分布不同,不同淹没粗糙元形态对水流结构具有显著影响;③基于模型试验数据,对非淹没圆柱体试验数据采用非线性拟合的方法,分别得到了单根圆柱体上下游纵向流速分布的拟合式;④采用量纲分析得出,粗糙元在淹没条件下,其下游纵向流速u与水流特性、渠道特性及粗糙元特性有关。【结论】淹没条件下,粗糙元后水流流速纵向分布形成了1个3层的速度剖面;而非淹没条件下,粗糙元后水流流速纵向分布均呈现出"对勾"的形式。     

表施尿素下引黄畦灌水流中氮素迁移转化规律试验研究

为了研究引黄灌溉条件下氮素在地表水流中的特点,促进表施肥料下田间灌溉系统设计和管理的改进,基于引黄畦灌撒施和液施尿素试验资料,分析了地表水流中尿素沿畦长的迁移转化过程,水流水力、水质的影响,以及氮素浓度的时空变异特征。结果表明,水流中氮素主要以有机氮的形式存在,尿素的水解需要一个过程;悬浮颗粒物不是引起不同氮素沿程变化的主要原因。撒施在流速等作用下,氮素存在明显的畦首流失,畦尾累积,且总氮、有机氮、氨氮和硝氮与距离的相关系数都大于0.8,为高度相关。施肥方式对地表水流中氮素分布有显著的影响,液施较撒施可以提高地表水流中氮素时空分布的均匀性,总氮在撒施30 min时的变异系数比开始大0.38。不同氮素的性质不同,在迁移转化过程中不完全同步。     

基于ANSYS CFX的细沟水流切应力分析

为探明细沟断面的发育过程,利用流体力学软件ANSYS CFX 15.0.7对细沟的发育变化过程进行数值仿真,研究细沟断面水流流速及切应力分布,结合实测细沟发育,分析了细沟断面水流流速特征和切应力特征,从计算流体力学角度探索了细沟在水流冲刷情况下的断面发育机理。结果表明:利用CFX数值仿真建模的方法,得到了染色法测定细沟水流流速时的修正系数为0.78。宽浅式细沟断面切应力小于窄深式断面,细沟水流切应力主要集中在1.41~2.10 Pa之间。水流切应力决定着细沟断面的发育,断面各点的切应力与断面各点发育较为吻合,切应力与断面各点的发育密切相关。     

消力池底板脉动压力与噪声耦合研究

以水力学和声学理论为依据,以模型试验的形式进行,选定宽顶堰堰进行研究,设定三个流量,测量并记录各种方案下消力池底板水流脉动压强及相应噪声值。经分析发现,水流脉动压强及噪声值都随流量增大而增大,消力池底板水流脉动压强与噪声值有一定的相关性,脉动压强值最大断面与消力池噪声值最大断面相同,但变化趋势不完全相同。水流与固壁之间的相互作用和水流紊动（水流与水流的相互作用）是引起水流噪声的主要原因素。     

龙抬头式泄洪洞安全监测指标分析

基于1∶40正态水工模型,运用RNG k-ε双方程湍流模型对设计与校核2种特征洪水位下小浪底水电站2^#龙抬头式泄洪洞衔接段流场水力特性进行数值模拟,求解了该泄洪洞泄流能力、流速分布、压强分布及空化数等水力特性.同时从空化数、流速、测压管水头及洞顶余幅等角度提出了龙抬头式泄洪洞安全监测指标,并构建了龙抬头式泄洪洞安全监测预警级别.研究结果表明:流量系数、流速及测压管水头模拟值与试验值吻合较好,说明采用数值模拟可较好地求解龙抬头式泄洪洞衔接段流场水力特性.龙抬头式泄洪洞的风险程度可划分为安全、低警、中警及高警等四级预警状态.影响龙抬头式泄洪洞安全运行的安全监测指标按照权重由大到小顺序依次为空化数、测压管水头、洞顶余幅及流速.研究结果将为龙抬头式泄洪洞的优化设计与安全施工提供一定的理论指导与技术支撑.     

多层水股射流在水垫塘内流场特性的数值模拟

研究表孔采用上翘或下跌式、深孔采用下弯式布置所形成的表深孔上下差动出流,水股分层分散射流在水垫塘内的流动特征和各水股射流之间的干扰碰撞特性。选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNGk-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法,结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘,对不同间距的多层二元射流进入消力池后的水流结构进行了数值模拟。分析不同水股间距对水垫塘底板的冲击压力的影响以及与流场、速度场的关系。     

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.     

水电站排沙漏斗水沙运动规律

以燕子崖水电站为例,采用流体体积模型(VOF)方法耦合、雷诺应力模型(RSM)、离散控制方程、五阶Runge-Kutta变步长积分法模拟排沙漏斗水沙运动规律,并通过物理模型试验论证数学模型计算合理性.结果表明:排沙漏斗切向流速总体呈现中间小、两头大的特点,在排沙底孔位置产生空气漏斗,空气漏斗周围产生强迫涡流;径向流速随径向位置半径增大而先小后大,方向由内到外,在漏斗排沙底孔位置存在向内的、较大的径向流速;轴向速度值随径向位置半径增大作上下波动而波幅逐渐减小,轴向流速波动变化较为强烈并形成一个势涡;含沙量垂向分布为上小、下大分布,含泥沙量在近底部附近较高,底部附近形成较高含泥沙水流;在漏斗圆形边壁的约束下水体产生一个强迫涡流,强迫涡流具有高排沙能力,将漏斗排沙底孔附近的泥沙快速带入排沙底孔,通过与排沙底孔连接的排沙廊道排走泥沙.切向、轴向、径向流速以及含泥量的模型试验值与数学模型计算值相差较小.     

坡度较缓溢洪道上的消能方式研究

白莲河水库第二溢洪道为二级消能，由泄槽和出水渠组成。第二级的出水渠为宽浅型渠道，底坡为0.08~0.05，坡度较一般溢洪道缓，但落差较大。出泄槽水流挑流消能后在渠道内加速，使出渠流速仍然较高。如不加以衬砌则难免受到冲刷。试验探索采用消力墩加糙方案，有效地消刹渠内水流能量，降低渠内的流速，使渠道不需要衬砌。试验表明，在坡度较缓的溢洪道上适当布置消力墩，能够有效达到消能减速的目的，是一种较好的消能方式。     

水利工程溢洪道底流消能水力特性分析

合理地选择溢洪道建筑物消能型式,是关系到整个水利工程安全与经济的重要问题.通过溢洪道设计规范进行消能方式水力学计算,结合物理模型试验对传统底流消能与跌坎型底流消能水力特性进行了对比分析,结果表明:传统底流消能在校核洪水下泄流量时,底流消能方水流进入消力池后产生一定程度的远驱式水跃,消力池消能主要位于消力池后部,消力池后部及出口水面壅高较大,且波动剧烈,没有形成相对稳定的消能水体,消力池消能效果不太好,需要增加消力池长度;跌坎型底流消能消力池底板高程降低1 m,但是临底流速较底流消能得到大幅度降低,池内水流扩散充分,剪切明显,消力池后段形成了稳定的水体,消能效果良好,出水渠内水流流态得到改善,不容易对消力池冲刷破坏.跌坎型底流消能空化数增大相对不容易发空蚀,可能避免消力池空蚀破坏,最大水跃位置向前移动7 m,水流不会冲击底板和尾坎,水流垂直溅起,因此消力池内流态稳定,雾化影响较小,具有适应性强,消能效率高、流态稳定等优点.     

导流兼泄洪洞泄流能力计算

泄洪系统是水库电站建筑物的重要组成部分,承担泄洪任务,一般由表孔及底孔组成,其最小结构尺寸由泄洪时的特征水位及所需要下泄的流量确定。本文针对有压导流兼泄洪洞（即底孔）进行水力学计算,有压洞泄流量由出口工作弧门控制,采用有压洞泄流公式计算确定出满足最大泄流要求所需要的最小结构尺寸,在此基础上,当出口工作弧门局部开启时,同时采用闸孔出流公式及有压洞泄流公式分别进行计算不同水位、开度及所对应的流量值,并将其与物理模型试验结果进行对比。分析表明在弧门局部开启时采用闸孔出流公式计算出的结果与模型试验结果一致性较好,其结果可以为类似工程水力学计算提供实践参考。     

单介质螺旋离心泵能量转换机理

为了研究螺旋离心泵叶轮各段做功能力和能量转换机理,从理论上分析了流体机械内部的流体流动情况,应用欧拉方程,将流体在叶轮中的能量分为动压头和静压头来处理,为采用数值模拟来研究螺旋离心泵内部流动和叶轮各段的做功能力提供了理论基础.在欧拉方程的基础上,采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对螺旋离心泵内部流场进行数值模拟计算.通过模拟具体探讨了设计工况下,选取单介质为清水,在叶轮的作用下流场的速度、压力等变化规律,并将螺旋离心泵叶轮的轮缘线和轮毂线分段取监测点,从所取监测点之间各段的动压头和静压头变化来研究螺旋离心泵内的能量沿叶轮包角的转换能力.结果表明:螺旋离心泵流体的能量主要是由螺旋段提供的,叶轮前部螺旋段起到了多级加能的作用,叶轮使流体完成了从轴向至径向的过渡,液流的轴向速度由大变小,径向速度则相反.     

泄洪闸胸墙压坡段的数值模拟

采用RNG k-ε紊流数值模型对具有不同坡度的胸墙压坡段的泄洪闸出口水流进行了三维数值模拟.通过数值模拟计算得到了具有4种不同坡度的泄洪闸胸墙压坡段的流线、流速和压力,并对比分析了胸墙压坡段坡度变化对泄洪闸泄流能力、水流脱壁情况、负压分布区域的影响情况.研究结果表明:随着胸墙压坡段坡度的增大,虽然闸口的泄流能力减弱,但是出口水流的脱空长度和脱空高度变小,也即增大胸墙压坡段的坡度使得出口水流的脱壁现象减弱直至消失;胸墙压坡段内的负压最值及负压的分布区域均随着坡度的增大而变小.在泄洪闸胸墙底缘压坡段的设计过程中要避免平坡式链接,可通过合理的方式比选出适用于自身工程的压坡坡度,有利于提高消力池的消能效率,避免压坡段的空化空蚀,从而增强了工程的安全性.研究方法和结果对类似工程的优化设计及安全运行具有一定的指导意义.     

高水头阶梯溢流坝掺气坎体型优化试验研究

针对阶梯溢流坝前端设置掺气坎,以提高坝面减蚀能力与坝体消能率的研究理论尚不成熟的现状,通过9组不同掺气坎的水工模型试验,采用极差与方差分析方法得出了掺气坎角度与高度对阶梯溢流坝联合消能方式水力特性的显著性影响.试验结果表明:与掺气坎高度相比坎角度对台阶面最大负压影响较大.掺气坎角度为11.3°,坎高度为1.0, 1.3 m时,台阶面最大负压最小,分别为-9.25 kPa, -8.56 kPa;掺气坎角度对影响反弧段时均压强的显著性不如掺气坎高度,而两者对消力池最小时均压强的显著性影响相差不大.当掺气坎角度为11.3°,高度为0.7, 1.0 m时,上游水流对下游的冲刷强度较小,水体掺气充分,反弧段最大时均压强分别为424.44, 431.73 kPa;根据坝体消能效果,掺气坎高度是影响阶梯溢流坝消能率的主要因素.根据各因素综合分析,推荐掺气坎角度为11.3°,高度为1.0 m时为最优坎型,其消能率为53.63%.