反拱水垫塘全拱圈3个底板块运动特性的研究

【目的】揭示反拱底板局部稳定和失稳破坏的机理。【方法】结合溪落渡水电站工程,制作了水垫塘精细物理模型,采用先进的模拟方法和测量手段,研究了在底板块止水完全破坏、锚筋失效,其四周及底部完全贯通的情况下,反拱水垫塘拱圈3个活动底板块的运动特性。【结果】反拱底板块振动的优势频率为0.001~0.1 Hz,沿程(x)划分为上下游强振区和冲击弱振区,在x=(-0.30~0.60)m底板块易失稳。【结论】底板块为低频窄带振动,不会发生共振破坏和材料的疲劳破坏。由于底板块形成了长期和局部拱作用,使拱圈保持稳定。     

反拱水垫塘拱圈破坏机理研究

为了揭示高水头和大流量作用下反拱水垫塘拱圈底板的破坏机理,采用物理模型试验研究的方法,结合溪洛渡拱坝表孔水舌作用下的反拱水垫塘,在拱圈底板块之间的止水设施破坏和底板锚筋失效的条件下,对拱圈多底板块的振动规律进行研究,得到拱圈底板块振动位移沿程及沿横向分布的规律、拱圈振动底板块数目与其振动位移的关系。结果表明:-2.0≤x/bm≤1.5为拱圈失稳破坏的危险区域,缝隙宽度的累加效应为拱圈发生失稳破坏的内在原因。     

高拱坝水垫塘水动力特性研究

在模型试验的基础上,从水力学角度对高拱坝平底水垫塘及反拱水垫塘的水动力特性进行了分析评价。结果表明,无论是水体特性还是水动力特性,平底水垫塘都优于反拱水垫塘;在消能效果方面,平底水垫塘消能率与反拱水垫塘基本一致,二者的消能率均接近95%。     

消力塘内掺气特性试验分析

采用水力学模型试验的方法,通过改变不同水力条件来量测消力塘不同水流结构区掺气浓度值,对试验数据进行对比分析得到不同水流结构区掺气浓度分布规律。试验结果表明:改变不同水力条件中的任一条件,淹没射流区掺气浓度均沿程减小。随着入塘能量的增加,淹没射流区、冲击区、附壁射流区掺气浓度随之增大。随着水垫深度的增加,淹没射流区、冲击区、附壁射流区掺气浓度随之减小。随着泄槽入射角度的增加,淹没射流区和冲击区掺气浓度减小,附壁射流区掺气浓度变化不大。     

反拱水垫塘模型不同材料底板块振动特性的比较

结合溪落渡水电站,采用两种不同材料制作模型模拟水垫塘反拱底板,在高水头、大流量作用,止水完全破坏、锚筋失效等条件下,对单底板块的位移进行了试验研究,得到了两种板块振动位移沿程变化规律、时域特性及其频域特性.研究结果表明,由于两者重度不同,使底板块呈现出两种完全不同的运动特性.两种板块虽同属于低频窄带振动,但加重橡胶板块的底板防护范围比有机玻璃板块减小了45%.     

异型岔管水力特性的数值模拟

【目的】探求异型岔管的水力特性,研究岔管处局部水头损失及流速和压强的分布情况,并检验数值模拟方法的可靠性。【方法】采用物理模型试验和数值模拟相互验证的方法,依据实际情况对积石峡电站灌溉引水系统重力输水管网岔管在6种不同的供水工况(正常水位和死水位1#支管单独供水、2#支管单独供水及1#、2#支管联合供水)下的流速、压强分布及局部水头损失进行了研究。【结果】在6种不同工况下,局部水头损失系数的数值模拟值均小于试验值,相对误差最大为14.452 5%,且各工况下得到的岔管处局部水头损失、局部水头损失系数值并不相同;数值模拟结果直观地反映了岔管处流态分布和压强的变化情况。【结论】岔管处的水力特性复杂、影响因素较多,即使同一工程的同一岔管在不同的运行工况下各参数的选取也具有灵活性,因此对于具体问题要进行具体分析。     

不同频率洪水遭遇下溃坝洪水演进的二维模拟

【目的】建立适合黑河下游地区的溃坝洪水演进的二维数学模型,为该水库的安全运行和调洪决策提供参考。【方法】根据天然河道复杂而不规则的地形特点,以及溃坝洪水的传播和运动特性,建立适合黑河下游地区高程跨度很大的溃坝洪水演进的二维数学模型;利用非结构化三角形网格,采用单元中心的有限体积法求解控制溃坝水流运动的二维方程;应用所建模型,对黑河金盆水库10 000年一遇入库洪水漫顶所致溃坝洪水(即工况1)进行数值模拟,分析不同时刻的水深分布图、流速矢量图以及淹没范围的变化过程;在此基础上,探讨100年一遇入库洪水延时遭遇10 000年一遇入库洪水工况(即工况2)下溃坝洪水的演进变化过程,分析该工况下淹没水深的变化范围。【结果】工况1、工况2下大坝溃决时间分别为该工况模拟初始时间后的15.6,37.5h,工况1、工况2下5个沿程观测点的最大淹没水深分别为3.10~6.18m和3.66~6.91m,最大流速分别为2.28~8.68m/s和2.46~9.40m/s。【结论】所建立的溃坝洪水二维模型可以模拟流域不同时刻的水深及流速分布,计算结果具体到点,为洪水风险分析和灾害损失评估提供了依据。     

低佛氏数水跃紊流数值模拟研究

【目的】研究低佛氏数(Fr₁)水跃紊流的水力特性。【方法】采用VOF方法处理闸门上、下游表面,用二维RNG型k-ε紊流数学模型,对低佛氏数（Fr₁=2.0～4.5）水跃紊流进行数值模拟,研究了不同低佛氏数水跃的跃后水深、水跃长度及流速分布,分析了水跃区及其下游明渠流区压强、紊动能、耗散率和水跃消能率的特性。【结果】淹没系数大于1.2时,水跃长度均大于其他经验公式计算的水跃长度,且水跃长度增幅随佛氏数的增加而增大。水跃区断面各点时均流速最大值沿程减小;跃后明渠流区,断面各点平均流速沿程无明显变化。水跃区主流与漩滚交界处附近,特别是泄水闸门附近的紊动能及耗散率均最大。随着佛氏数的增加,理论和实际消能率均增大,且理论消能率大于考虑了跃后紊动能的实际消能率。【结论】低水头水利枢纽泄洪功率较大,应充分考虑低佛氏数水跃实际消能率低的水力特性,设计合理的消能设施以解决其消能防冲问题。     

基于Flow-3D的多阶明渠工程数学模型研究

【目的】研究灌区多级阶梯明渠水流的水动力特性及泥沙淤积问题,并评价其对多阶明渠工程的影响。【方法】基于VOF方法,在Flow-3D平台上建立了山东省德州市牛角店输水工程的三维数学模型,通过模拟不同工况下的三维多阶明渠水流,对比分析水流流速分布、水面线变化及渠底泥沙淤积情况。【结果】水流流态平稳后,最大流速出现在第二级阶梯上,挟沙水流流速较清水流速大0.50～0.86 m/s;在挑坎及第二级阶梯上,水面线变化幅度较大;随着时间推移,泥沙主要淤积于挑坎前及第三级阶梯底部,200 s时淤积厚度最高达0.143 mm。【结论】在牛角店输水工程施工及后期运行中,适当加固第二级阶梯渠底,提升第二级侧墙高度,并通过调控下游水位以保证灌渠的安全运行。     

弧底梯形渠道无喉道量水槽水力特性的数值模拟

【目的】研究弧底梯形渠道无喉道量水渠槽的水力特性,为灌区水资源的科学管理和可持续利用提供参考依据。【方法】利用Fluent6.3大型计算流体力学软件,基于VOF方法跟踪自由液面,采用RNGk-ε湍流数学模型和PISO算法,对不同收缩比条件下的弧底梯形渠道无喉道量水槽进行三维数值模拟,分析了弧底梯形渠道无喉道量水槽内部流场以及水位流量关系,将模拟结果和实测资料对比验证,同时进一步分析了弗劳德数、临界淹没度等量水槽各项水力性能。【结果】与传统无喉道量水槽相比,弧底梯形渠道无喉道量水槽具有显著优点:(1)量水槽结构简单,过流顺畅且呈良好的流线型;(2)临界淹没度(S)可达0.89,水头损失小,弗劳德数(Fr)0.5,满足测流精度要求;(3)量水槽水位流量关系相关性较好,拟合公式测流平均误差小于5%。【结论】弧底梯形渠道无喉道量水槽结构可为灌区弧底梯形渠道量水提供新的思路和参考依据。