溢洪道陡坡收缩段边墙水深计算和研究

受溢洪道地形、地质和水力条件等影响和要求,往往需要在溢洪道陡坡段上设置收缩段,直至其下游出口断面形成窄缝式挑坎。根据急流冲击波理论,对溢洪道陡坡段收缩的窄缝挑坎段边墙沿程水深计算方法进行分析和探讨,计算中考虑了陡坡段边墙转角、坡度和激震水跃段水体重量等因素,提出了溢洪道陡坡收缩段边墙沿程水深的初步计算方法。计算方法得到了水力模型试验的验证,成果可供溢洪道陡坡收缩段的窄缝挑坎边墙沿程水深计算参考。     

扭切式鼻坎出坎水舌空间形态分析

针对狭窄弯曲型河道,泄水建筑物末端布置传统的连续式挑流鼻坎,出挑水流直冲对岸,既威胁岸坡安全、水舌也难以平顺归河。通过RNG k-ε紊流模型和Tru-VOF法,对扭切式挑流鼻坎出坎水舌及空间形态进行三维数值模拟。研究表明,扭切式鼻坎的大角度挑射使出挑水舌竖向拉开明显,左侧边墙的偏转能够保证出坎水流发生横向翻卷,使水舌落点导向右侧河床,在有效适应下游河谷地形变化的同时,能够减轻对下游河道的冲刷并改善雾化现象。模拟成果还表明,扭切式鼻坎出口附近最小空穴数σ=0.60,空蚀破坏不易发生。      

曲面贴角窄缝挑坎与直墙窄缝挑坎对比研究

曲面贴角窄缝挑坎是在直墙窄缝挑坎基础上发展而来的典型消能工,目前对曲面贴角窄缝挑坎水力特性的研究还较少。通过对比分析曲面贴角窄缝挑坎与直墙窄缝挑坎体型结构、消能机理、受力特征上的差异,并从水力模型实验方面予以验证,证实曲面贴角窄缝挑坎除具有传统窄缝挑坎的优点外,还具有边墙低、消能充分、稳定性及安全性好、水舌纵向横向较为分散、底槽水舌挑距稳定有利于跨岸、下游河道冲刷深度较浅等优点。     

那棱格勒泄洪洞挑坎水力特性试验研究

受下游出口横向宽度有限等因素的影响,泄洪洞扩散式挑坎存在水舌入水面积过大、冲刷下游边坡的现象。针对这一现象,基于那棱格勒水利枢纽工程整体水工模型试验,对比研究扩散式挑坎和等宽式挑坎两种挑坎方案内部流态、水面线、流速、时均压力、出口水舌形态和下游冲刷情况等相关水力学特性。研究结果表明:等宽式挑坎内部横向水面变幅较小,发生空化的可能性较低,水舌入水宽度较小,消能效果充分。在改善挑坎流态,减轻下游岸坡冲刷等方面起到重要作用,有效满足了当地实际地形对于入水水舌的要求和工程运行的需要。     

玛尔挡水电站溢洪道挑流鼻坎体型试验研究

挑流鼻坎是水利工程常用的消能工,不同体型的挑坎对过流水体具有不同的导向作用。为解决玛尔挡水电站因水头高、流速大、泄洪建筑物集中,但其对下游河床的冲刷要求高而导致泄洪消能严峻的问题,对其进行了整体模型试验。为满足溢洪道三孔鼻坎水舌在死水位时不冲砸本岸及左右岸坡脚冲刷深度较浅的设计要求,进行了斜鼻坎、舌形挑坎、直墙窄缝挑坎和曲面贴角窄缝挑坎四种不同挑坎体型的对比试验,通过比选,曲面贴角窄缝挑坎较好地满足了设计要求。该试验研究对类似工程具有一定的借鉴意义。     

峡口水电站泄水建筑物体型优化试

峡口水电站泄水建筑物体型优化试验研究结果表明：原设计表孔采用窄缝型式效果欠佳，采取大差动高低坎型式，其下泄水流在空中充分碰撞，明显提高消能效果，大大减轻对下游河道的冲刷；降低中表孔挑坎高程，可增大水舌碰撞角度，提高空中消能率；中孔出口斜坡段坡度改为-5后，可消除负压，更利于水舌扩散。     

舌形坎与短边墙坎泄流水舌空中扩

表孔连续坎虽然具有经济实用、便于施工等优点，但同时也存在下泄水流过于集中，水垫塘底板冲击压力过大等问题。针对这一问题，部分项目的前期设计曾采用舌型坎和短边墙坎来改善水舌入水流态。但目前还没有公式可以对这些异型坎水舌扩散进行详细的数值计算。对通过舌型坎和短边墙坎的水舌流态进行了建模计算，并在对计算数据进行分析的基础上提出了不同坎型条件下掺气水舌空中横向扩散规律。     

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。     

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。     

旁侧溢洪道消能新构思

阐述了双层散流式消能工的工作原理、水流特性和水力计算方法。该新型消能工吸收了国内外对撞消能、倒悬、扩散等异形鼻坎的优点，特别适合于狭窄河谷、水舌落水点难以控制及河道转弯等不利地形的下游消能防冲设计工程，该消能工与等宽挑流相比，冲刷深度可降低一个数量级，与斜切扩散坎等新型挑流消能工相比，仍可减少冲刷５０％，甚至可以做到不冲刷，关于双层散流式消能工的报导，国内外未见有关研究资料。     

旁侧溢洪道消能新构思

阐述了双层散流工消能工的工作原理，水流特性和水力计算方法，该新型消能工吸收了国内外对撞消能、倒悬、扩散等异形鼻坎的优点，特别适合于狭窄河谷、水舌落水点难以控制及河道转弯等不利地形的下游消能防冲设计工程，该消能工与等宽挑流相比，冲刷深度可降低一个数量级，与斜切扩散坎等新型挑流消能工相比，仍可减少冲刷５０％，甚至可以做到不冲刷，关于双层散流式消能工的报导，国内外未见有关研究资料。     

土石坝坝体溢洪道泄槽水面线若干

通过试验研究对土石坝坝体溢洪道采用曲线型堰的泄槽水面线起算水深进行了观测，发现圆弧曲线堰及翼型堰的起算水深均小于0.7倍临界水深hk。 利用已有的试验资料分析了泄槽设置掺气挑坎后对水面线产生的扰动影响。分析结果表明,由于掺气挑坎对水流的扰动和挑流作用 ，使得泄槽内的水深增大；掺气挑坎对水面线的影响程度与流速、掺气挑坎的体型等因素有关；当泄槽内设置多道掺气槽时，上一级掺气挑坎的体型对下一级掺气挑坎处的水深也有一定的影响。     

立式轴流泵装置的三维湍流流动数值模拟

采用三维湍流数值模拟方法对南水北调东线工程某泵站立式轴流泵装置进行了优化水力设计研究工作;分别建立了轴流泵模型和立式轴流泵装置几何型体数学模型,并分别对轴流泵模型和立式轴流泵装置的内部流动进行了三维湍流数值模拟,计算所得的轴流泵模型的水力性能与模型试验的结果一致;轴流泵装置数值计算所得的水力性能与装置模型试验结果的基本规律相符。计算结果表明:采用数值计算的方法研究立式轴流泵装置内部的三维湍流流动及其水力性能是可行的,在此基础上对立式轴流泵装置进行深入的优化水力设计,可以最大限度地提高泵装置的水力性能。     

梯形渠道圆柱形量水槽水力特性数值模拟

采用RNGk-ε紊流模型及VOF方法处理自由水面,数值模拟了梯形渠道圆柱形量水槽三维水流运动。通过对多个流量情况的计算,获得了驻点水深、水面位置、三维水流流态等圆柱形量水槽水力特性。数值模拟的自由水面位置、三维水流流态与试验结果基本一致,驻点水深的计算值与实测值的最大相对误差为4.11%,最小相对误差为0.53%。研究表明,采用的数值模拟方法,能够有效地模拟圆柱形量水槽水力特性,模拟精度能够达到量水设备要求的精度。     

申庄水库溢洪道模型试验优化研究

由于弯道水流的复杂性，对于大中型水利工程弯道水流水力要素的确定最终还需结合水工模型试验确定。申庄水库溢洪道布置受地形条件限制，设计中泄槽设置了弯道和收缩段，下泄水流受其影响形成了不对称冲击波，两岸水深差悬殊，且影响鼻坎挑流消能。本文在分析前人研究成果的基础上，以山西省申庄水库溢洪道弯道水流为研究对象，通过水工模型试验，提出了在弯道末端布置横向挑流坎的方案，明显改善了水力条件，为工程改造设计提供了依据。     

窄缝式消能工在重力拱坝坝面溢流中的应用

在陕西洋县卡房水利枢纽水工模型试验研究的基础上，首次将窄缝挑坎和扩散挑坎进行有机结合，运用在重力拱坝坝面溢流的泄洪消能上。充分利用了窄缝挑坎的高效消能和对水舌的灵活导向，拓展了窄缝挑坎在重力拱坝坝面溢流消能防冲方面的应用。     

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。     

水泵站前池三维流动计算和试验

为消除水泵站前池的水流在扩散过程中产生的回流、游涡，提出了在前池中设置多组底坎的措施。对设置底坎前后的复杂流动进行三维紊流数值模拟计算，并通过水力模型试验加以验证。计算结果和试验结果十分吻合，有效地消除了回流和旋涡，流态显著改善。     

起伏管道内水流冲击滞留气团的三维动态特性模拟

采用三维CFD方法对起伏管道内水气耦合作用的过程进行建模和模拟,研究气团压缩-膨胀-变形的三维动态特性.在考虑气团压缩性、水体弹性基础上,采用Standard k-ε、RNG k-ε 和Realizable k-ε这3种湍流模型进行模拟研究,并将三维计算结果、现有一维模型计算结果与试验结果进行了对比分析.结果表明:与一维模型相比,所采用的三维CFD模型能够较准确地模拟起伏管道内水流冲击滞留气团瞬变过程中气水形态变化和压力波动;Standard k-ε湍流模型能够较好地模拟压力峰值和波动周期,RNG k-ε 、Realizable k-ε湍流模型次之;整个过程中,水-气两相互相掺混,水-气交界面自由变化,并不垂直于管道中心线,与管道中心线呈一定的夹角存在;三维CFD计算结果可以很好地模拟较短长度气团的动态特性变化.     

大型泵站虹吸式出水流道优化水力设计

采用三维紊流数值模拟的方法,揭示了大型泵站虹吸式出水流道内的三维流动形态;提出通过建立虹吸式出水流道几何模型并借助三维紊流数值模拟的方法,逐一改变流道几何尺寸、观察流态变化、逐步优化流道型线,以最终实现虹吸式出水流道的优化水力设计;通过专门设计的模型试验,验证了虹吸式出水流道优化水力设计的效果。