台阶式溢洪道相对流速和相对佛汝德数关系研究

台阶式溢洪道广泛应用于水利工程中,是研究的热点。流速和佛汝德数是重要的水力参数。将台阶式溢洪道流速、佛汝德数与对应光滑溢洪道的水力参数对比,引入相对流速、相对佛汝德数的概念,准确地反映台阶部分对水流流速及佛汝德数的改变。通过对0.5、1.0、2.0m3个不同台阶高度,坡度为38.66°的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了相对流速和相对佛汝德数之间的关系。结果表明非均匀流流态下相对流速和相对佛汝德数表现出良好线性关系,相关系数0.993 5~0.999 4。单宽流量不同,相对流速和相对佛汝德数对应直线斜率有明显变化,单宽流量大,斜率大;台阶高度对相对流速和相对佛汝德数表现出的直线倾斜程度几乎没有影响。     

台阶式溢洪道滑行水流的相对水头

为了研究台阶式溢洪道的消能特性,将台阶溢洪道与光滑溢洪道沿程的总水头进行对比,引入台阶式溢洪道相对水头的概念.通过3个工程的台阶式溢洪道模型试验,坡度为1 ∶2.0~1 ∶0.9,台阶高度为0.5~2.0 m,对影响相对水头的主要因素:流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度等进行了研究.结果表明,在滑行水流条件下,台阶式溢洪道沿程相对水头小于0;相对水头与流程长度呈良好的线性关系,相关系数为0.998 3~0.999 8;相对水头与单宽流量无关,不同流量条件同一断面的相对水头基本相等,相对误差不超过4.5%,而台阶高度、溢洪道坡度对相对水头影响较大,台阶高度越高、坡度越大,相对水头绝对值越大.试验资料证实了相对水头具有良好的水力规律,便于应用分析,可为台阶溢洪道设计提供参考.     

台阶式溢洪道流速水头沿程变化研究

水流的流速水头是重要的水力参数,可一定程度上反映水流的能量。为研究台阶溢洪道过流断面流速水头的沿程变化规律,将其与同体型的光滑溢洪道流速水头进行对比,引入相对流速水头的概念。通过对26.6°、33.7°、38.7°、48.0°四组坡度,0.5、1.0、2.0 m三种台阶高度的台阶式溢洪道,在单宽流量17.25~62.18 m2/s之间进行模型试验研究。结果表明台阶的流速水头沿程呈现曲线规律,关系复杂不便应用;而非均匀流段上相对流速水头与流程长度呈现良好的线性递增关系,相关系数R2为0.994 8~0.998 8。台阶部分对水流的阻碍效果随单宽流量的减小增大,而与台阶高度、坡度呈递增关系,其中坡度的影响最显著。试验证实了引入相对流速水头的必要性,为台阶溢洪道水力特性的研究提供了依据。     

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....     

阳升观水库台阶式溢洪道水工模型试验研究

结合阳升观水库枢纽5号溢流坝段,采用水工模型试验方法对溢流堰的泄流能力、溢洪道台阶面的流态,压力和台阶式溢洪道+消力池联合消能率等方面进行了试验研究。结果表明,溢流堰的实际过流能力满足设计要求;台阶面的水流为滑移流,掺气充分,流态较好,消力池内流态紊乱,池尾部水面波动强烈;台阶立面阳角附近普遍存在负压,但其量值较小;台阶式溢洪道+消力池联合消能率在3种特征工况下都超过了90%,其中大部分能量被消杀在溢洪道的台阶面上。     

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.     

含沙量对坡面流水动力学特性的影响研究

基于系列室内水槽冲刷试验,定量研究了在9°坡度、不同流量条件下含沙量对坡面流水动力学参数的影响。结果表明:随含沙量增加,水流雷诺数Re减小,水流紊动强度减弱。弗劳德数、水流流速及流速修正系数α随含沙量增加先呈减小趋势,当含沙量S>300 kg/m3时,各值均突然增大,并随含沙量的进一步增加趋于稳定,表明此时水流型态发生变化,α均值为0.554。含沙水流和清水水流能量损失比较标准不同,得到的结论也不相同。当S<300 kg/m3时,以相同Re或相同单宽流量作为比较标准,含沙水流阻力系数均大于清水对应值;当S>300 kg/m3时,以相同的Re作为比较标准,则含沙水流阻力系数小于清水对应值,以相同的单宽流量作为比较标准,则含沙水流阻力系数大于清水对应值。     

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。     

浮筒式升降闸门水力性能数值模拟

为了探讨浮筒式升降闸门量水机理,理论分析了浮筒式升降闸门水力特性及流量计算表达式。实测流量与计算流量对比表明,浮筒式升降闸门流量公式测流精度较高且形式简单,适合末级渠道的量水。同时,采用数值分析对不同流量、不同闸门开度条件下的过闸水流流场进行模拟,讨论浮筒式升降闸门测流过程中渠道内的水面线情况、各控制断面的流速分布、闸前弗劳德数Fr以及闸门测流精度。结果表明:模拟流量、水深与实测流量、水深吻合较好;试验及数值模拟得到的闸门前弗劳德数Fr均小于0.5,满足测流要求。     

砒砂岩坡面薄层水流水力冲刷特性试验研究

试验利用室内变坡度水槽,选取5种(5°,10°,15°,25°,35°)坡度和5种(280,420,550,650,900 L/h)流量进行25组叠加组合模拟室内薄层水流冲刷试验.结果表明:坡度一定时,冲蚀率随流量递增,增长幅度受坡度影响,在15°～35°存在着临界坡度值;无降雨条件下小于临界坡度时,冲蚀率与能坡之间满足多项式关系;冲蚀过程中坡面薄层水流流态属于层流中的急流,冲蚀细沟的产生与水流弗罗德数和雷诺数有关;小于10°时,水流剪切应力和水流功率不受流量的影响,小于420 L/h时,坡度的影响也并不是特别明显,坡度对流速的影响大于流量的影响,这导致了坡度对单位水流功率的影响更大;单宽流量与能坡对冲蚀率的影响较大,并建立了冲蚀率的拟合模型,此模型可以满足砒砂岩大角度的冲刷.     

L型侧槽溢洪道进口段水力特性试验及三维数值模拟研究

侧槽溢洪道被广泛运行于水利工程,但由于受场地、投资等限制,部分工程采用正堰与侧堰相结合的L型布置,导致槽内水流结构更加复杂。以景宁某工程溢洪道为例,采用Flow3D三维仿真软件模拟了L型侧槽溢洪道进口段的水流结构,并结合水工模型试验,对槽内的水流流态、流速分布、水面线、压强和消能率等水力特性参数进行了对比分析。结果显示L型溢洪道侧槽内正、侧堰两股水流相互作用后,可有效提高过流能力,降低侧槽内水位,增加消能率;其次,数值模拟计算结果与水工模型试验基本吻合,进一步表明三维数值模拟在研究复杂水流结构时的可行性,成果可为类似工程的研究提供参考。     

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.     

沙沱水电站宽尾墩联合消能工的应用研究

针对沙沱水电站泄洪量大、堰上水头高、单宽流量大的特点,分析了“宽尾墩＋台阶坝面＋戽式消力池”联合消能工的水力特性,通过模型试验对其消能效果进行了观测研究。试验结果表明：该消能方案在典型工况下消能充分,出池水流衔接平稳,下游河床无明显冲坑,满足通航要求,它既保持了大流量时宽尾墩的泄洪消能特点,又兼顾了台阶坝面小流量时的消能优势,并且采用台阶坝面使碾压混凝土一次成型,减少了工程量,缩短了工期,节省了工程投资。     

沙沱水电站宽尾墩联合消能工的应

针对沙沱水电站泄洪量大﹑堰上水头高﹑单宽流量大的特点,分析了“宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池”联合消能工的水力特性,通过模型试验对其消能效果进行了观测研究。试验结果表明：该消能方案在典型工况下消能充分,出池水流衔接平稳,下游河床无明显冲坑,满足通航要求,它既保持了大流量时宽尾墩的泄洪消能特点,又兼顾了台阶坝面小流量时的消能优势,并且采用台阶坝面使碾压混凝土一次成型,减少了工程量,缩短了工期,节省了工程投资。     

台阶形式对阶梯溢洪道水力学特性的影响研究

大单宽流量下,阶梯溢洪道存在消能率较低、空化空蚀等问题。尽管前人对台阶尺寸、布置方式进行了相关研究,但鲜有涉及台阶形式本身。基于此,结合mixture方法,采用Realizable k-ε模型对几种新型阶梯溢洪道进行了数值模拟研究,对比分析了其流场特性、旋涡结构、掺气浓度、压强分布等。结果表明:设置尾坎不仅可降低主流流速,也能增加台阶上旋涡尺度和范围;各体形掺气浓度均呈"S"形分布,但是设置尾坎和调整台阶面均不能改善掺气效果,常规阶梯体形平均掺气浓度最高;坎式阶梯溢洪道台阶面上压强呈"凹"形分布,当台阶面上无尾坎时,台阶水平面上压强呈"S"形分布;设置尾坎和上翘台阶面均能增加台阶竖直面压强,但台阶面向下倾斜将使得负压区范围增加;设置尾坎和上翘台阶面均能增加紊动能耗散率,向下倾斜台阶面则相反;此外,坎式阶梯体形消能率比常规体形高约10%,上翘台阶面提高约6%,但向下倾斜台阶面使得消能率降低约10%。     

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。     

坡面薄层水流滚波演变规律试验研究

为探求坡面薄层水流滚波产生机理及其演化规律,采用变坡水槽试验,结合超声波测量技术,研究了5种坡度和21种单宽流量下坡面薄层水流的水力特性及失稳特征。结果表明,试验条件下,坡面水流流态指数平均值为0.536,水流流态以紊流为主,流型为急流;特定粗糙床面条件下,随着流量的增加,水流经历失稳到滚波猝灭再到二次失稳的演变过程;滚波猝灭临界流量随着坡度的增大而逐渐减小,其临界雷诺数在509~602之间,临界弗汝德数在3.29~7.39之间;随着流程长度的增加,滚波的波速变化不大,波长和波高逐渐增大,频率逐渐减小,滚波发生沿程聚合现象;当单宽流量和坡度增大时,波速和频率均随之增大,波长变幅不大,而波高呈现先增大后减小的抛物线型变化趋势。     

平面S型轴伸泵装置变转速水力特性

为了研究水泵变速运行装置内部水力特性变化,采用CFX软件对平面S形轴伸泵装置进行全过流部件数值模拟计算,转速分别为1 050、1 250、1 450 r/min。结果表明,不同转速下装置叶轮进口流速均匀度变化很小,进水流道水力损失变化规律不变。3种转速下出水流道小流量工况水流旋转运动强烈,设计工况流线较平顺,大流量工况水流贴壁运动明显。水泵转速增加后,出水流道水力损失最小值增大,对应的流量也加大。3种转速下,出水流道水力损失与装置扬程之比δ均在泵装置最优工况最小,且均为0.055左右,相差不大。通过断面涡量云图比较,变转速对导叶出口断面涡量影响很大,对应该断面涡量某一数值时,水力损失有最小值。泵装置变转速等效率曲线近似为抛物线,装置外特性基本符合比例律的关系。     

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.     

弧底梯形渠道无喉道量水槽水力性能影响因素研究

为了研究不同因素对弧底梯形渠道无喉道量水槽水力性能的影响,基于Fluent6.3大型流体计算软件,采用RNGk-ε湍流模型和VOF方法相耦合,对弧底梯形渠道无喉道量水槽进行了三维数值模拟,并将模拟流量与渠道流量进行对比分析,结果表明二者吻合度较好,该数值模拟方法有效可靠。在确定模拟准确性的前提下,分析了该量水设施在不同喉口收缩比和底坡下的水位流量关系,上游断面弗劳德数,壅水高度,水头损失等水力特性,为量水槽的进一步研究及其优化推广提供了新思路。