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.     

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。     

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。     

跌坎空腔水力特性研究

应用附壁射流理论,分析了影响跌坎空腔的回水流量、空腔长度、射流冲击角、空腔回水动量及空腔负压的一些水力要素,并分析了这些水力要素与空腔回水流量、空腔长度、射流冲击角、空腔回水动量及空腔负压的相互关系。应用附壁射流理论分析的结果与水工模型试验得出的结果吻合良好。     

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.     

突扩式跌坎消力池掺气脉动特性研究

高速入射水流进入突扩式跌坎消力池后卷入大量空气，形成掺气水流，气体的存在影响各项水力学指标，对工程安全造成影响。基于物理模型试验，对突扩式跌坎消力池的掺气脉动特性进行探究，分析其掺气脉动幅值特性、概率密度分布特性以及频谱特性。结果表明：无突扩跌坎消力池底板中线的掺气脉动幅值呈沿程衰减趋势，最大值出现在消力池首；突扩式跌坎消力池底板中线的掺气脉动幅值呈先增大后减小的趋势，最大值出现在冲击区；与无突扩跌坎消力池相比，突扩式跌坎消力池可以有效降低底板的掺气脉动强度；消力池底板掺气脉动概率密度曲线不服从正态分布；掺气脉动能量属于低频脉动，随流能比的增大而增大；突扩式跌坎消力池底板在冲击区的掺气脉动能量最大，突扩的存在可有效降低掺气脉动作用在底板上的能量。     

泄洪洞中闸室长度对掺气水流的影响研究

采用RNG k-ε紊流数学模型,研究了在中闸室具有突扩突跌型出口的情况下,下游泄洪洞渥奇曲线段的水力特性。在不同水流佛氏数的情况下,重点研究了中闸室长度对渥奇曲线段水力特性的影响,最终获取得到水流流态、水翅强度及空腔形态等的变化规律。在出闸水流弗氏数一定时,中闸室长度对突扩突跌型掺气坎后的掺气水流具有较大影响,具体表现为:当闸室长度较短时,底部与侧向掺气空腔均较短且空腔积水严重,水体底部掺气不明显;当闸室长度相对较长时,侧墙水翅强度较大,水流流态容易恶化。     

冲沙底孔突跌与突扩+突跌体形掺气效果对比试验研究

通过水工模型试验研究,对阿海工程左泄洪冲沙底孔采用跌坎式掺气,从流态、底、侧空腔长度、掺气浓度、压力等方面,比较了突扩、明槽坡度等因素对掺气效果的影响。试验结果表明,采用突扩+突跌式通气减蚀与突跌情况下相比,掺气效果更加明显;随着明槽底坡坡度的增大,掺气底、侧空腔长度、掺气浓度值亦随之增大;采用突扩+突跌式掺气以及适当的明槽底坡,可以有效的增加掺气效果,从而减小发生空化、空蚀破坏的可能性。     

掺气坎与过渡阶梯联合作用对阶梯面掺气特性的影响研究

阶梯溢流坝面的掺气特性是联合消能工发展的桎梏,而掺气坎与过渡阶梯对阶梯面掺气特性有积极的影响,通过水工模型的方法,结合阿海水电站进行12组试验。研究掺气坎高度11.67、16.67 mm和角度8°、10°以及4种组合过渡阶梯联合作用下,对阶梯面掺气特性的影响。结果表明:掺气坎角度10°、高度16.67 mm这种体型比其他7组掺气坎体型更优,故掺气坎角度与高度适当增加可使水流下缘接触阶梯面的位置后移,掺气空腔长度、掺气面积以及掺气浓度亦随之增大;并且在此掺气坎体型的基础上,过渡阶梯设置为25 mm×33.33 mm(宽×高)的大阶梯,阶梯面掺气特性相对其他3种体型更优,故过渡阶梯体型适度增加,更有利于过渡阶梯进行掺气。通过12组试验的结果分析得出,前置掺气坎角度为10°、高度为16.67 mm、过渡阶梯设置为25 mm×33.33 mm(宽×高)的大阶梯时,阶梯溢流坝面的掺气特性为12种方案中相对最优。     

溪洛渡泄洪洞掺气减蚀设施及体型优化的试验研究

结合溪洛渡水电站3号泄洪洞,在大比尺水工模型试验的基础上,对目前高水头明流泄洪洞掺气减蚀设施和体型的典型设计方案进行修正和优化研究。试验表明:通过采用掺气跌坎和挑坎相结合的组合形式、在反弧段前增设一道掺气坎、缩短渥奇曲线段的长度和减小反弧段的圆心角等措施,可明显改善掺气效果,增大反弧段前掺气坎的掺气能力,从而有效减小和消除反弧段末端掺气盲区。该研究对于高水头、大流量明流泄洪洞掺气设施和体型的合理设计具有十分重要的价值。     

阶梯坝面坡度对阶梯面掺气特性及负压影响试验研究

为探求高水头、大单宽流量下阶梯坝面坡度对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化联合消能方式的阶梯面掺气特性及负压的影响,以阿海水电站为原型,采用速度比尺和长度比尺分别建立运输方程,引入水气两相流VOF和三维RNG-紊流模型.利用几何重建格式来迭代生成自由水面,对51.34°,53.13°,56.98°这3种阶梯面坡度进行数值模拟研究.研究结果表明,坡度增加,阶梯面掺气空腔长度先增加后减小;当坡度为53.13°时,阶梯面掺气空腔长度最长,为7.5m.阶梯面掺气浓度变化与掺气空腔长度变化规律一致,坡度增加,阶梯面掺气浓度先增加后降低,各方案空腔段后掺气浓度均存在小于阶梯面最低保护掺气浓度3%,此掺气浓度下阶梯面会发生空蚀破坏.阶梯面负压呈双峰分布,最大负压峰值出现在第2峰值处,负压双峰值随坡度增加而增大,当坡度为56.98°时,负压最大,值为-42.34kPa.     

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。     

阶梯凸起数量对一体化消能工水力特性的影响

基于阿海水电站5孔溢流表孔,在掺气坎高度1 m、角度10°的条件下,对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行阶梯凸起数量分别为0,1,2,3的4种过渡阶梯进行水工模型试验,分别从水流流态、消力池水面线、近底流速、负压、时均压强以及消能率等多个水力特性进行研究.研究结果表明,近底流速随着可掺气空腔体积的增大而减小,随着阶梯凸起数量的减少而增大,在二者相互作用下,各方案流速在消力池末端达到最小,其中方案2流速最小,为22.23 m/s;由于可掺气空腔体积和凸起型阶梯的数量的共同影响,方案2的负压最小,达-33.66kPa;方案1,2,3,4的消能率依次为59.56%,61.06%,60.37%,59.99%.方案2的消能率最高.     

不同条件下橡胶坝下泄水流水噪声研究

通过在不同的消力池尾坎高度、不同的消力池长度、不同的流量下对橡胶坝下泄水流水噪声进行测量,研究橡胶坝下泄水流与上游来水流量及下游消力池状况的关系。结果表明:在流量、消力池长度均相同的条件下,尾坎高度的改变会影响橡胶坝下泄水流噪声值大小,随尾坎高度提高,水噪声值降低;在相同的上游来水流量、消力池尾坎高度相同时,橡胶坝下泄水流噪声值是随着消力池长度的增长而下降;在相同的消力池长度和尾坎高度情况下,橡胶坝下泄水流噪声值是随着流量的增大而总体上升。     

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%.     

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.     

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%。     

跌扩型底流消能工水力特性的试验研究

通过水力学模型试验,对跌扩型底流消能工的水流流态、时均动水压力分布、临底流速及近壁流速进行了分析,研究结果表明,在跌扩型底流消能工中,选择合适的突扩比,能有效降低消力池内底板和边墙的水力学指标;且通过建立消力池内水流运动的动量方程,推导出跌扩型底流消能工突扩比的计算公式,并得到试验验证,为跌扩型底流消能工的体型设计提供了依据。     

设有掺气分流墩的溢流表孔优化试验

针对高山峡谷地区建坝存在单宽流量大、消能范围小、布置困难等问题,结合亚碧罗水电站中的4个高低位溢流表孔,采用模型试验研究的方法,对建筑物的出口段挑流型式进行了整体优化,并对设有掺气分流墩的低位溢流表孔进行了试验。结果表明,高位表孔和低位表孔分别采用窄缝挑坎和掺气分流墩有效解决了消能区域集中的问题;低位表孔出口的四面体优化墩可保持挑射水流的连续且横向扩散充分;溢流表孔直线段设置的掺气设施运行良好;反弧段压力变化符合自由表面凹曲面上水流的压力分布规律,脉动压强的优势频率在0.033～0.201 Hz之间变化;反弧段局部部位的最小水流空化数为0.15,应从施工不平整度和运行方面加以控制。     

深水短洞泄水底孔突变水流特性及对策研究

较多高坝的泄水底孔采用深水短洞有压进水口型式,选用偏心铰弧门及相应的突扩突跌衔接布置,突扩跌坎体型突变,水流条件复杂,其水力特性是影响底孔安全运行的重要因素.本文结合Souapiti水电站泄流底孔单体模型试验,对短洞有压进口底孔突扩突跌水力学特性及对策进行了较全面研究.得出了底孔流量系数在0.88～0.9范围内、突扩跌...