狭窄河道小交角溢洪道燕尾坎挑流消能研究

狭窄河道小交角溢洪道挑流空间有限,流量变化大时挑流落点不稳定。为研究这种特殊地形下燕尾挑坎消能效果,依托某实际工程,采用数值模拟的方法拟定多种燕尾挑坎方案,研究了在狭窄河道小交角溢洪道条件下燕尾桃坎的消能效果。结果表明,方案2消能效果最优,当开口与燕尾宽度比为1且开口与溢洪道宽度比为0.5时水舌掺气效果最好,水流入水前能削减更大流速,在满足起挑前提下增大跌坎角度有利于水舌纵向拉伸,提高消能利用空间。最后复核了该方案在不同梯级流量时的消能冲刷情况,发现方案2挑坎在小流量和大流量泄洪时水舌落点依然稳定,冲坑对建筑物不构成安全威胁。

三峡大坝运行20年泄洪安全评价

近年来国内外高坝泄水建筑物破坏事故时有发生,三峡大坝泄洪流量和落差大,泄洪功率居世界第一,其泄洪安全备受关注。结合三峡大坝自2003年蓄水以来的历次水力学原型观测和以往水工模型试验结果,围绕泄水建筑物布置、泄流能力、动水压强、水流空化、水流掺气与通气风速、空蚀磨损、消能防冲7个要素指标,依据有关技术标准和工程经验建立了一套完整的高坝泄洪安全评价方法,提出了定性标准和量化阈值,并据此对三峡大坝深孔、表孔、排沙孔和排漂孔进行泄洪安全评价。结果表明:大坝泄水建筑物布置是合理的;大坝实际泄流量与设计值符合良好;大坝泄洪流道未见空蚀磨损破坏;三峡大坝运行20 a,泄水建筑物和坝下消能区运行性态正常,泄洪安全可靠。

沙土比对混凝土试件空蚀影响的试验研究

在小型循环式水洞中试验研究了沙土比对混凝土试件空蚀影响的机理。首先,在循环式水洞内筒中配制11种沙土比(0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%)试样,用红外测沙仪测定相同沙土比的3种不同含沙量(2,12,30 kg/m 3)的挟沙水样,用压力传感器和压力数据采集系统实时采集水洞文丘里工作段空化区和空蚀区的压力;然后,制作了水灰比为0.4、灰砂比为1.5,7 d龄期强度f cu,k=17.8 MPa的混凝土试件,将其安放在水洞文丘里工作段混凝土试件盒中进行4 h的空蚀试验。试验结果表明:沙土比的增大对空化和空蚀破坏均具有促进作用;消失空化数随沙土比的增加而增加,对空化发生具有抑制作用;相同沙土比时,混凝土试件的空蚀量随着含沙量的增加而增加。

低弗劳德数条件下尾坎坡度对消力池内流场结构的影响

低水头、大流量条件下泄洪,易形成低弗劳德数水流,对下游河床和边坡造成冲刷风险。基于某水利枢纽工程,采用数值模拟的方法,应用RNG k-ε数值模型,研究了不同尾坎坡度体型下消力池内低弗劳德数水跃的流场特征。研究结果表明:低弗劳德数来流条件下,消力池内形成的淹没式水跃沿水流方向可分为核心区、发展区和回流区;核心区在水深方向上按流速特性又分为射流内层、射流外层、旋滚内层和旋滚外层;不同尾坎坡度的消力池中,均遵循时均压强沿程增大、临底流速自收缩断面后沿程减小的规律;尾坎坡度变陡会使得水跃的旋滚起始断面向上游移动,旋滚终止断面向下游移动,从而使得旋滚长度增大;当尾坎坡度为1∶3时,尾坎斜坡段临底流速梯度为0,当尾坎坡度小于1∶3时,尾坎斜坡段临底流速梯度为负,当坡度大于1∶3时,流速梯度为正,其原因是尾坎坡度变陡使得尾坎对水体的阻力在平行于尾坎坡面方向的分量减小,从而使得流速梯度逐渐增大。研究成果可为类似工程中消力池的设计选型提供参考。

三角迷宫式侧堰的水力特性研究

迷宫式侧堰具有较大的泄流能力,广泛应用于流量控制、农田灌溉和排水系统.为研究三角迷宫式侧堰的复杂水力特性、泄流规律及泄流影响因素,本研究首先基于FLOW-3D软件和RNG k-ε湍流模型,对侧堰的15种工况进行数值模拟计算,获得侧堰水面流态、流速分布等水力特性.同时,通过白金汉π定理推出影响迷宫式侧堰流量系数的无量纲参数,探究流量系数C_(d)与无量纲参数之间的变化规律,利用人工智能遗传规划(Genetic Programming,GP)算法拟合出流量系数计算公式.结果表明:主渠道内水流为缓流,堰顶角θ较小时,二次流使得水面流态变化,流速在靠近侧堰时发生急剧变化,堰内产生回流.随着θ的增大,堰顶上方水舌从对称分布变为偏右侧下泄,堰内回流现象消失;C_d随上游弗劳德数Fr和溢流前沿与堰顶水深之比l/h_(1)的增加而减小,随堰高与堰上水头之比p/h_(1)的增加而增加,θ越大,C_(d)变化趋势越大;流量系数预测公式在测试阶段的决定系数R^(2)=0.913,均方根误差RMSE=0.045,流量系数预测值与试验值的散点图拟合效果良好,数据点分布均匀且关于拟合线对称,表明GP模型得出的结果较为准确,满足灌区量水精度要求.该研究成果可为迷宫式侧堰在实际工程中的应用提供理论依据和技术支撑.

宽式防旋墩环形堰竖井水力特性分析

目前许多拟建抽蓄工程泄洪洞的环形堰竖井入口设置了新型宽式防旋墩,以消除喉口处由不可控漩流引起的呛水等不利流态,而宽式防旋墩环形堰竖井的水气特性与以往采用起旋墩和窄式防旋墩的竖井存在较大差异,业内对其认识尚不清晰。以石台抽水蓄能电站下水库泄洪洞的竖井作为研究对象,采用物理模型试验与数值模拟相结合的手段,分析了流态、流速、压力、消能率等水力指标。研究结果表明:宽式防旋墩引导水流平顺进入竖井形成脱壁流,其尾部可形成顺畅的进气通道,空气经此通道可充分进入竖井以保持井内流态与压力的稳定;新型竖井过流能力满足要求,各部位流速、压力分布正常,总消能率达85%以上;宽式防旋墩可消除不可控漩流导致的呛水现象并引导水流在竖井内形成脱壁流态,使竖井壁面免于空蚀破坏;墩尾通气量足够时,可取消通气管及环形堰与竖井结合部突扩体型,简化工程布置。相关经验可供类似抽蓄电站工程的泄洪洞竖井设计参考。

某新建高位水池消能改造方案及应急措施研究

某新建高位水池建成运行后,产生了两种恶劣流态:一是通气孔出口发生喷水,二是下游水厂出现掺气。该文通过水工模型试验演示了新建高位水池内部水流运行流态及掺气状况,探究了池内水流紊动及掺气机理,验证并提出了憋阀运行时的堰后“临界水位”消能方案,短期可消除高位水池内恶劣流态;在比较了堰板中部、及底部开孔等多个消能改造方案后,提出的优化方案池内流态平稳、无掺气,消能效果良好,可作为水池结构改造的可行实施方案,试验研究成果可为类似工程设计提供参考。

溢洪道弯道段流态改善试验研究和应用

溢洪道泄槽弯道泄流时,弯道段内易产生横向冲击波,水流紊乱,流态较差,会不同程度地影响溢洪道的正常运行。该文根据广东省部分水库陡槽溢洪道水力模型试验研究成果,介绍改善溢洪道泄槽弯道段流态的断面超高、斜向高低坎、纵向导流墙、阶梯跌坎、弯道前设置消力池等工程措施,并对各种工程措施的适用性进行分析,研究成果可供类似工程设计和运行参考。

红江拦河闸消能工优化试验研究

通过新建红江闸工程水工断面模型试验,研究了闸后水流流态、流速分布等情况,针对设计方案闸下水流衔接不利、海漫跌水严重、流速过大等问题,提出取消消力墩、降低消能防冲段整体高程、调整闸门初始开度等优化措施,明显改善闸后流态,减缓出池水流流速,有效提高了闸下消能防冲能力,保障水闸运行安全。研究成果在工程中得以应用并取得预期成效,可为类似工程的设计和建设提供参考。

红江闸泄流水力特性试验研究

新建红江闸由原址两座拦河水闸合建而成,工程所在河段河势、水流条件等较为复杂,对水闸的泄流能力、水流流态、消能防冲等设计不利,需开展水工模型试验,研究水闸泄流水力特性,解决存在的水力学问题。试验结果显示,原设计水闸存在两侧闸孔进闸流态不良、泄流能力不足,闸后消力池消能不足、海漫跌水严重等问题,试验对闸室两侧进水导墙、消力池等进行优化后,有效改善了过闸流态,提升了闸后消能效果和泄流能力,确保了水闸的泄流水力条件满足设计要求。研究成果已应用于工程并达到预期目标,可为同类工程设计和建设提供参考。

抽水蓄能电站无压泄洪洞台阶消能型式研究

基于甘肃某抽水蓄能电站泄洪洞洞内消能设计,探讨在流量及底坡恒定的条件下,台阶尺寸与消能率的相关关系,探寻台阶尺寸的初拟原则,采用现行NB/T 10867-2021《溢洪道设计规范》中跌落流上限及滑行流下限的经验公式(坡角范围为2.86°~59.53°)进行台阶消能流态的初步判别,通过Chanson半经验公式理论计算和CFD数值模拟水工隧洞底板布置不同台阶尺寸对应的消能特性。结果表明:在流量及坡度不变的情况下,台阶尺寸(台阶步长及高度)对消能率的影响有限;台阶尺寸越大,水力要素受流动边界条件影响和扰动越明显;初拟台阶尺寸时,应分析水流掺气点位置及出现掺气均匀流位置随台阶尺寸变化向上游移动的速率,同时结合实际边界条件、便于施工及后期运维等方面综合考虑,台阶高差宜控制在0.20~0.60 m。

高速水流泄洪洞掺气减蚀设施优化设计研究

掺气减蚀设施是预防高速水流泄洪洞产生空蚀破坏的重要工程手段,文章结合新疆某工程,通过大比尺单体水工模型试验,开展了多方案掺气减蚀研究,提出了挑坎与通气槽组合的掺气体型。试验结果表明,洞身段设置2道掺气坎后,通过改变挑坎高度及体型,均能形成稳定的通气空腔和坎后流态,且容易施工,掺气效果良好,较好的解决了高速水流空蚀难题,可为类似工程的掺气减蚀研究提供理论指导和技术支撑。

某工程泄水建筑物泄洪雾化范围计算分析

为了减少泄洪雾化带来的工程影响和损失,笔者结合工程实例,根据理论公式对表孔溢洪洞、泄洪冲沙洞在不同水位下的雾化范围进行估算,并依据估算结果提出针对性工程设计建议。结果表明:表孔溢洪洞在校核洪水位下雾化影响范围最大;该工程的厂区虽位于强暴雨区横向影响范围以外,但处于雾流降雨区范围之内,设计时需考虑雾化对厂区电气设备带来的不利影响;出口边坡局部位于强暴雨区和雾流降雨区范围内,需对边坡进行加固处理并采取表面防护措施,确保边坡运行安全稳定。计算成果可为工程布置、设计提供理论支撑。

某水电站溢流坝消力池水工模型试验研究

针对某水电站溢流坝在泄流时二级消力池流态紊乱、水流翻越消力槛对下游产生冲刷等问题,依据重力相似性准则,建立水工模型试验,对现状溢流坝消力池段进行安全评价并分析水流流态、沿程水深分布等水力特性。根据试验结果提出优化思路,即拆除一级消力池内梯形堰,将WES堰替换为增高3m的跌坎,二级消力池内梯形堰增高0.5m;优化后溢流坝消力池段内整体水流流态较好,相较于原设计耗散了溢流坝消力池内多余水流能量,降低了池内整体流速。试验结果可为工程的设计及运行提供理论依据。图5幅,表3个。

窄河谷大夹角挑流消能工体型优化研究

针对窄河谷大夹角条件下挑流消能易出现冲击两岸、冲坑过深的问题,采用水工整体模型试验方法对具有代表性的某水利枢纽深孔放水冲沙洞挑流鼻坎体型开展优化研究,并对比分析了水舌形态和下游河道冲刷特性。结果表明,不对称收缩的异型窄缝式消能工可使水流在狭窄河道归槽,水舌纵向拉伸效果较好,大幅减轻了河床冲刷;提出了收缩比、收缩角差、斜切面积比等特征参数适宜的挑流消能工体型,可供窄河谷大夹角条件下挑流消能设计参考。

缓坡泄洪放空洞掺气坎水力特性试验分析

高速水流掺气是减免流道空蚀破坏的有效措施,然而在缓底坡、大水位变幅条件下,常规掺气坎难以形成稳定无积水的掺气空腔。本文在缓底坡(3.3%)条件下,采用模型试验方法,对比分析了常规连续坎、异型坎及组合坎的水流特性和掺气效果,认为Fr数、掺气坎坡度与水舌落点处底板坡度是影响水流入射角的主要因素;在此底坡条件下,掺气坎尺寸变化的影响要远大于体型变化的影响,采用异型掺气坎亦难有效解决掺气空腔积水问题;经依托工程模型试验论证,组合坎掺气流态良好,适应大变幅的运行水头,可较好地改善缓底坡空腔回流积水问题。

基于数值模拟的水闸消能防冲控制条件确定方法研究

为研究水闸消能防冲控制条件的确定方法,以铜城闸实际工程为例,采用数值模拟方法在优选模型的基础上分别选取消能设计工况与消能校核工况的5个闸门开度进行消能防冲计算,通过分析确定过闸最大单宽能量找寻该水闸运行时的最不利工况。模型优选后闸前上游段计算长度选取90 m、防冲槽下游段计算长度选取40 m、网格划分形式选取基于粗网格下的局部加密网格、湍流模型选取RNG k-ε模型,在此模型基础上最终计算分析得出消能设计工况下闸门开度为4.0 m时,过闸单宽能量最大,此工况下上游水位10.1 m,下游水位5.6 m,即为该水闸的消能防冲控制条件。研究内容打破了将水闸泄洪工况作为最不利工况的传统思路,更能保障该水闸的安全运行,具有较好的工程应用价值,能够为同类水闸工程确定消能防冲控制条件提供参考。

非对称入流复合消力池消能体型研究

为了适应工程地形所需的复合底流消力池以其布置形式简单、工程投资小等优点,在中小型水库工程中得到广泛应用,但其在非对称入流条件下普遍存在水流流态复杂、消能率低等各种问题。基于抚宁抽水蓄能电站下库泄洪消能建筑物,采用水力学模型试验与数值模拟相结合的方法,对复合消力池消能体型及入流方式进行了研究。结果表明:将传统消力池的均匀对称入流方式调整为适宜的非对称方式后,既扩大了消力池水流入水的空间范围,又保留了三元水跃高消能率的优点,同时也解决了因入流不均匀及消力池体型不对称而产生的消力池内水流旋转问题。通过模型试验和数值计算发现,这种底流消能体型布置方式极大提高了入射水体与下游水垫的剪切碰撞作用,降低了消力池临底流速与底板压强,且流态稳定,适于工程不同工况的安全运行,也使消力池总消能率提升了约10%。

基于正交试验的旋流竖井泄洪洞衔接段体型参数敏感性分析

竖井式泄洪洞的衔接段体型直接影响退水隧洞的流态、竖井的振动特性和消能效果。对衔接段体型的研究目前以单因素居多,多因素研究较少,在工程设计实践中对竖井体型进行优化多参考类似工程经验,尚无较为系统的优化方法。通过数值正交试验,以出口湍动能为指标,对衔接段长宽比、出口压坡收缩比、压坡坡比等衔接段体型参数进行了敏感性分析。研究表明:衔接段长宽比对出口湍动能的影响最为显著,压坡坡比次之,收缩比最低。研究成果可在工程设计中对竖井泄洪洞衔接段体型优化提供一定的参考。

茨哈峡水电站泄洪洞旋流竖井段体型水力特性研究

为探究竖井旋流泄洪洞在高水头大泄量条件下的水力特性,以茨哈峡水电站为背景,进行竖井旋流泄洪洞的水工模型试验,通过比较不同衔接段体型涡室壅水和竖井底板的脉动压强,以获得上平段与涡室衔接段和竖井与导流洞衔接段的推荐体型。基于VOF模型,采用三种紊流模型对推荐体型水力特性进行数值模拟。研究发现,竖井内旋转水流的水层厚度分布不均,旋转水流切向流速的衰减梯度从上到下逐渐降低,在竖井前半段,轴向流速随竖井高度的降低增加较快,竖井中下段,主流水体的轴向流速增加明显,而副流水体增加缓慢;竖井旋流泄洪洞各部位消能差异大,竖井起始部位主要消去涡室来流的初始切向动能,中间部位主要消去旋转水流的轴向动能,下半部位利用环状水跃和消力井消去旋转水流大部分的剩余动能。Realizable k-ε紊流模型更适合模拟超高水头、大泄量、强旋转并带有自由液面旋转水流的水力特性。