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。     

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。     

双向竖井贯流泵装置优化设计与试验

为探求双向竖井流道水力设计方法和完善双向竖井流道优化型式,对双向竖井流道进行内外型线及分叉段型式进行优化设计。基于标准k-ε紊流模型和雷诺时均的N-S方程,结合龙山水力枢纽工程运用CFD软件对双向竖井贯流泵装置进行优化设计。计算并比较了不同竖井出水流道方案的水力损失,揭示了不同方案竖井流道内部各段水力损失分布规律,比较分析了不同方案竖井出水流道内部流场及速度分布规律,最后结合模型试验结果,证实了双向竖井流道优化设计的可靠性。优化结果表明:竖井分叉段设计好坏直接决定竖井后半段水力损失,通过调整竖井内外轮廓线可以有效减小竖井出水流道的水力损失,提升贯流泵装置外特性。优化后竖井贯流泵装置反向运行最高效率达60.5%,较优化前提高3.8个百分点;正向效率达到72.18%,较优化前提高1.67个百分点。模型试验反向运行最高效率57.56%,正向运行最高效率72.67%。     

大型泵站竖井贯流泵装置能量特性

结合江苏省无锡市城市防洪排水工程江尖泵站的设计，对椭圆型渐缩前置竖井贯流进水流道与由圆截面渐变至矩形截面出水流道匹配组成的模型泵装置进行了动力特性试验研究。试验结果表明，泵装置最高效率随叶片角度减小而增大，叶片角-4°时的最高效率达76.7%，采用椭圆型线竖井进水流道设计合理；通过适当降低 值后，泵装置在运行扬程1.46m~2.38m，泵装置效率68.35%~75.11%。     

竖井式跌水水力计算的探讨

竖井式跌水是消能与抗冻相结合的新结构型式,针对该结构型式,在运用中出现的问题,分析 了原因,并提出了水力设计方法,原则和步骤。     

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。     

泵站竖井进水流道数值模拟与装置特性试验

采用雷诺平均纳维—斯托克斯方程(RANS)和标准kε湍流模型,运用SIMPLEC算法,对椭圆型线前置竖井贯流进水流道内的流动进行了三维数值计算,揭示了竖井进水流道内流场、特征断面的速度分布及水力损失规律。对椭圆型线竖井进水流道与出水流道匹配组成的模型泵装置进行动力特性试验,得出了4种叶片角度下的泵装置特性曲线。研究结果表明:采用椭圆型线设计的竖井进水流道合理;大型低扬程泵站采用卧式竖井贯流结构,泵装置效率较高。     

双向竖井贯流泵进出水流道优化研究

基于RNG k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用商用CFD软件对双向竖井贯流泵装置进行了三维流动数值仿真计算。对流道内的水力损失分析借鉴了微元法分析原理,通过对比分析分段水力损失可知:竖井作为进水流道时,其尾部汇合处水力损失较大,直管式出水流道在靠近导叶出口端水力损失较大,竖井作为出水流道在分叉处水力损失较大。通过调整竖井及直管式流道型线,有效减小水力损失,泵装置外特性有了较好的提升,最终完成水力性能优化设计。最终优化后的双向竖井贯流泵装置在叶片安放角为0°时数值计算结果正向运行效率最高达72.0%,反向为57.9%;模型试验结果正向运行效率最高达70.4%,反向为56.2%。     

江苏沙河抽水蓄能电站厂房竖井设

介绍了江苏沙河抽水蓄能电站厂房设计计算，该厂房采用竖井半地下式布置，着重讨论了竖井衬砌计算及荷载计算的方法。厂房投入运行后，竖井变形基本稳定。     

大比降灌溉渠陡坡消能的试验研究

为了解决新疆及甘肃河西等地区山溪性河流急速渠道的水流钎接及消能问题，结合工程实际研究出一种经济合理的消能形式－－陡坡加糙消能形式。对混凝土半球形突体在4种不同间距、10种不同水深情况下的水力摩阻系数进行了试验研究；由多糙度渠道水流阻力分析得出了设计条件半球形突体梅花桩布置时的最佳跨高比；对加糙消能效果进行了比较。     

前、后置竖井贯流泵装置基本流态分析

利用数值模拟软件Fluent 6.2对雷诺时均N-S方程进行离散,采用S-A单方程模型和SIMPLEC算法对前置竖井和后置竖井贯流泵装置在50％~120％设计额定流量等共16种工况进行了数值计算,并与换算成原型尺寸后的模型试验结果进行了对比,发现性能变化趋势吻合较好,在相同流量下数值计算值与试验值效率误差均在±5%以内。分别对前、后置竖井贯流泵装置的进水流道、泵室段和出水流道在设计流量工况下的基本流态进行了分析和对比,探讨了水力损失的原因。结果表明,前置竖井贯流泵装置的进、出水流态都比较好,而后置竖井贯流泵装置的进水流态均匀平顺,但出水流道的流态比较混乱,水力损失相对较大,装置效率低于前置竖井贯流泵装置;导叶和竖井是影响出水流道流态和装置效率的关键因素,在导叶环量和竖井的影响下极易产生脱流和漩涡。     

南阳渠工程南阳山陡坡消能水工模

南阳山陡坡由于陡坡落差大,且处于不良的地质条件下,为消力池的选择型式带来了困难。尾栅式消力池是由放置在池中的一定位置的弧形消力墩、池尾的栅式尾坎和池后的二级消力墩组成。弧形消力墩可基本解决渠道初始放水过程中消力池的水流垂直跃起的问题,在较小级流量时,可起到稳定水跃跃首位置的作用,而在较大级流量时增加了消能的效果。池末尾栅的几何尺寸及角度经过优化后可保证在各级流量下池内均呈理想的小淹没水跃状态,在跃首位置几乎一样的情况下,尾栅设计可最大限度地降低池末尾水高度,均化池后水流流速,同时还有消能及保证冬季消力池内水流排空的作用。池后的二级消能墩的主要作用是保证在各级流量下,池后水流均能以缓流形式光滑与墩后水流相接。     

南阳渠工程南阳山陡坡消能水工模型试验研究

南阳山陡坡由于陡坡落差大,且处于不良的地质条件下,为消力池的选择形式带来了困难.尾栅式消力池是由放置在池中的一定位置的弧形消力墩、池尾的栅式尾坎和池后的二级消力墩组成.弧形消力墩可基本解决渠道初始放水过程中消力池的水流垂直跃起的问题,在较小级流量时,可起到稳定水跃跃首位置的作用,而在较大级流量时增加了消能的效果.池末尾栅的几何尺寸及角度经过优化后可保证在各级流量下池内均呈理想的小淹没水跃状态,在跃首位置几乎一样的情况下,尾栅设计可最大限度地降低池末尾水高度,均化池后水流流速,同时还有消能及保证冬季消力池内水流排空的作用.池后的二级消能墩的主要作用是保证在各级流量下,池后水流均能以缓流形式光滑与墩后水流相接.     

邳州站竖井式贯流泵装置模型试验研究

根据南水北调东线一期工程邳州站建设的需要,在该站进出水流道优化水力设计研究的基础上,对前置竖井式贯流泵装置进行了泵装置模型试验研究。结果表明,经过优化水力设计的前置竖井式贯流泵装置试验方案SJGL—2010-01和SJGL—2010-02的主要工况点泵装置效率分别超过了82%和83%,泵装置临界空化余量NPSHc均优于5m;前置竖井式贯流泵装置不仅具有投资较少、结构较简单、安装维护方便等优点,而且水力性能优异,在低扬程泵站具有十分广阔的应用前景。     

超短竖井式进/出水口的水力控制

弯道后的水流调整不好,可导致进/出口存在严重偏流和水头损失增大.为了保证竖井式进/出水口的配水均匀性和水力稳定,采用三维RNG k-ε紊流模型,对某抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进/出水口进行了数值模拟,并进行了模型试验验证.重点对比研究了竖井扩散段采用椭圆曲线与渐扩锥管两种形式在抽水工况出流时的流动特性.计算结果显示,渐扩锥管的配水均匀性和稳定性均好于椭圆曲线扩散管的.对比分析了弯道后渐扩锥管扩散角分别为4.3°,5°和7°时的配水均匀性,计算结果显示竖井式进/出水口应尽可能控制扩散段的扩散角,防止出现偏流;在弯管段后的扩散段的扩散角宜小于4.5°.采用物理模型对推荐体型进行了验证,模型试验显示按照推荐体型设计的进/出水口配水均匀,双机抽水工况下总水头损失系数为0.48;双机发电工况下,总水头损失系数为0.33.     

三维数值模拟在孔板消能输水隧洞设计中的应用

另仂水库利用现有的导水洞布置输水隧洞,设计采用孔板消能形式降低输水隧洞内水流平均流速,避免高速水流对下游隧洞出口处河道的冲刷。孔板消能形式主要是利用水流流经突缩的孔板后又突然扩散,加强水流的紊动性,在孔板下游处产生强烈的湍流区域,消除水流大量动能。由此在洞内形成的二次流态具有明显的三维特征,采用RNGk-ε双方程湍流模型模拟隧洞内强湍流流态,并将模拟结果与经验公式计算结果及物理模型试验结果对比,探讨孔板消能设计的合理性和不同工况下隧洞内流态情况。     

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.     

竖井对低扬程贯流泵装置性能影响的数值模拟

为研究竖井贯流泵中竖井部分对贯流泵装置的水力性能的影响,采用计算流体动力学方法对包含进出水延长段、进出水流道、叶轮和导叶在内的整体泵装置进行数值模拟,分析竖井长度、竖井头部型线以及竖井尾部型线对进水流道水力损失、出口断面轴向速度分布均匀度、出口断面速度加权平均角以及泵装置能量特性的影响.结果表明:竖井长度、竖井头部和尾部型线对进水流道水力损失和出口断面速度加权平均角有影响,但是对进水流道出口断面轴向速度分布均匀度几乎没有影响;竖井尾部型线对流道水力损失影响最为显著,在设计流量工况下,竖井头部和尾部皆为锥形型式的进水流道水力损失较头部和尾部皆为圆弧形型式的进水流道的水力损失小24%;竖井头部型线和尾部型线采用锥形型式的进水流道水力性能更优,但是在选择锥形型线时候应注意不要延长竖井尾部长度.采用模型试验对数值模拟结果进行了验证,两者结果吻合较好,表明该数值模拟方法是可靠的.     

老炉下水库工程泄洪消能设计

根据老炉下水库工程的水流条件、地形地质条件，阐述了该工程的泄洪消能设计方法，具体分析比较了挑流消能和底流消能两种方式。结论认为，采用收缩式窄缝挑坎消能方式与工程的水力及地形地质条件相适应。