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。

跌流水股空中散裂形成规律研究

挑流消能因其结构简单、消能效果好等特点而广泛应用于各种水利工程实践中。为此,通过物理模型试验的方法,选取了不同的出口流速和水股厚度,采用图像识别及图片后处理技术,分析了跌流水股自由面演变过程,研究了不同来流条件下跌流水股空中散裂特性。试验结果表明,跌流水股随跌落高度的增大,水股横向及纵向轮廓线逐渐外移,水股扩散宽度沿程增大。随着水股厚度及出口流速的增大,水股出现形变的位置逐渐上移,水股整体不连续横向及纵向特征位置也随之增大,但出口流速的影响明显大于水股厚度的影响。

连续坎挑流水舌出射角特性研究

本研究采用基于VOF水气两相流的标准k-ε双方程紊流数学模型对连续坎挑流水舌出射角特性进行了三维数值模拟研究,为计算挑流水舌出射角与挑坎体型角的差值提供理论支撑,从而达到修正工程中挑流水舌实际出射角的目的。基于不同来流条件、挑坎体型尺寸下的系列计算数据分析了来流水深、坎前断面流速、反弧半径以及挑坎挑角对挑流水舌底缘出射角、上缘出射角和出射角断面分布的影响,获得了出射角的变化规律。研究结果表明,挑流水舌出射角沿水深方向逐渐减小,底缘出射角大于上缘出射角但两者均小于挑坎挑角,并揭示了来流弗劳德数、挑坎体型参数对底缘出射角差以及断面平均出射角差的影响规律且建立了相应的计算方法,可为连续坎挑流水舌计算水舌挑距、入水范围提供精确的出射角,有助于挑流消能设计水平的提升。

泄洪放空洞挑流鼻坎水力特性研究

针对某水电站泄洪放空洞,提出了两种挑流鼻坎体型,通过泄洪放空洞单体水工模型对圆弧斜切挑坎和新型上下复合挑坎进行试验研究。对比分析了两种挑坎体型的水舌形态、挑距及下游冲坑深度等参数。试验发现,新型挑坎将水流分为两股,形成上下两层平行的水舌,呈抛物线型前后跌入河道,两层水舌的宽度控制在河道范围内。挑出的水舌流态稳定,在空间和平面上得到了充分扩散。相较于圆弧斜切挑坎,水舌的扩散范围从偏河道左侧回归到河道中间,一定程度上减小了下游河床的冲坑深度、岸边的涌波高度及冲刷流速。运用Ansys Fluent软件对设计的新型挑坎进行数值模拟计算,得到各工况下挑流水舌形态、水舌挑距、湍动能及湍动能耗散率。对比分析数值计算和模型试验结果,二者流态一致,水舌的挑距和宽度结果基本吻合,说明数值模拟可靠,为挑流消能研究提供了便利和技术支持。

燕尾坎+水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究

在抗冲流速小、水头高、流量大、水深浅的狭窄河道中采用挑流消能时,由于河床冲坑深,两岸坡防护难度大,采用人工开挖水垫塘来减少冲刷,可确保岸坡安全和节省工程投资。文章依托某具体实际工程,通过RNG k-ε紊流模型对不同挑坎体型下的挑流特性进行分析,对比分析不同挑坎体型下的水舌形态、落点、水垫塘内紊动能耗散率和底板冲击压强等水力特性。得出在兼顾水垫塘冲击压强和二道坝出流衔接平稳的前提下,尽可能增加挑流水体与水垫之间的剪切面积来增强水垫塘消能率。结果表明,燕尾坎+水垫塘方案适用于水头高、抗冲流速小的狭窄河道,可为类似工程提供参考。

三维VOF模型及其在溢洪道水流计算中的应用

详细介绍了VOF模型及其应用方法,结合k-ε紊流模型和分段线形方式构造界面的方法,数值求解了带自由水面的三维水流流动问题。以大型水工建筑物溢洪道内水流流动为例,计算了溢洪道内水流流动特性,并将计算结果与实验数据进行对比,结果表明计算值与实测值相吻合,说明VOF模型能够精确地跟踪自由表面,适用于溢洪道等大型水工建筑物内的水流流动的数值模拟。

多层多股水平淹没射流的消能研究

采用三维数值模拟,研究了多股多层水平淹没射流的流动特性、漩涡结构和消能机理。利用水工模型试验,研究了影响其水力特性的主要因素。研究结果表明:多股多层淹没射流利用在射流轴线周围所形成的强剪切、三维立体漩滚的剧烈混掺来实现消能,消能率较高,且在平面上没有形成明显的、贯穿的立轴漩涡。结合模型实验,提出中孔泄槽以等宽或微收缩为宜、表中孔最优坎高差应大于中孔水流的主流水深等建议。

扭曲型挑坎挑流的数值模拟

采用RNGK-ε湍流模型与VOF多相模型对扭曲型挑坎挑流进行水气两相流三维数值模拟,模拟了挑坎里的自由水面与挑流的空中轨迹线,得到计算域的速度、压强、湍动能K与湍动能耗散率ε的分布、内外挑距与水舌宽度,并与物理模型的试验结果进行比较,两者吻合良好,验证了该数值模拟方法的可靠性、合理性。

挑射水流对岩基河床冲刷的探讨

在分析水垫塘中射流特征的基础上，综合了消能和射流的观点，提出一个估算冲坑深度的新公式。该公式结构简单、包括因素较全面，并通过分析计算实测资料，给出岩石冲刷系数的推荐值。利用该公式，对三峡大坝冲刷深度进行了预报，其预报值与各家的实验值符合较好。

溢洪道出口扭曲型挑坎水流的数值模拟

采用k-ε紊流模型,VOF方法跟踪自由水面,求解三维N-S方程对三种不同出口挑坎体型的溢洪道内水流流动进行了数值计算分析,得到了出口挑坎段的水流流动参数分布,并详细计算了出坎水流的抛射形态。通过比较分析,优化挑坎体型,为工程设计提供参考。

窄缝挑坎水力特性三维数值模拟研究

为研究窄缝挑夫水力特性,利用数值模拟技术,结合具体工程实例,通过对曲面贴角体窄缝式挑坎内压力特性、流速分布及挑射水舌形态等水力参数进行计算分析,提取了物理模型无法获得的较为详细的流场信息。该计算结果能够为类似工程起到一定指导作用。

水垫塘多层淹没射流数值模拟及消能研究

本文对纵向多层淹没射流水垫塘流态进行了数值模拟，将能量方程耦合于ＳＩＭＰＬＥ算法中使计算结果与实测值更为接近．文中分析、比较了单层和多层射流入塘后的水流结构及消能机理．研究表明，由于多层射流的能量耗散加快且分布均匀化和“动水垫”效应，使其在充分发挥水垫消能作用，提高消能率和降低塘底动水荷载及冲剧等方面明显优于单层射流．

动网格技术数值模拟挑流冲刷过程

实际挑流泄洪消能时冲坑及堆丘的形成是一动态过程。已有对挑流冲刷的数值模拟多考虑平衡冲刷坑情况。本文采用动网格技术模拟挑流冲刷时因河床边界变化引起的流场变化过程 ,控制方程组由非正交同位网格有限体积法求解。计算结果表明 ,本文方法是有效的 ,正确地反映了挑流冲刷过程中流场结构及速度、压力等参数的变化。

泄流建筑物异型挑流鼻坎三维设计研究

受地形地质条件限制,水利工程中常采用异型挑流鼻坎解决消能问题,但也给异型挑流鼻坎体型的设计带来很多难题。为研究某水库工程的挑流鼻坎最佳体型,运用BIM三维建模技术,采用挑流消能鼻坎底板和边墙三维联动,改变挑流鼻坎的边墙偏转角、底板右挑高角和挑角三个参数进行结构优化设计。通过对三个设计方案进行数值模拟比选出最佳方案,并推求出最优挑流鼻坎的底板三维函数。结果表明,偏转角为19.814°、右挑高角为0°~arctan（1/12）、挑角为25°方案的挑流水舌成功规避了右岸冲刷,消能效果良好,对泄流建筑物的异型挑流鼻坎三维设计具有重要参考意义。

挑流泄洪雾化的人工神经网络模型初探

以BP神经网络为基础,研究建立了挑流泄洪雾化神经网络模型,并用网络模型模拟了漫湾水电站的泄洪雾化。通过比较表明,人工神经网络在挑流泄洪雾化研究中是可行的,并具有明显的优势。

窄缝式挑坎体型及动水压强特性分析

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缩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。

挑跌流水垫塘内流态结构控制参数与冲击压力变化规律实验研究

为了探求更简单合理的水垫塘设计控制参数,本文通过实验研究,系统观测了不同来流条件和水垫深度条件下,水垫塘内的流态特征和冲击压力的变化规律,提出了表征挑跌流水垫塘内淹没冲击射流流态结构的控制参数,揭示了影响淹没冲击射流对水垫塘底板冲击压力的主要因素,并建立了经验关系式,可为水垫塘消能防护设计提供实验依据。

高坝挑流冲坑流场的数值模拟

本文采用正交变换下的有限体积法,选取标准K-ε紊流模型,对三峡溢流坝下游冲坑流场进行了维数值模拟,得到了冲坑内部流速与压强分布等资料。经与实测资料进行对比分析,结果较为满意。

溢洪道陡槽弯道设置导流墙对挑流消能的影响

为验证溢洪道陡槽弯道设置导流墙对挑流消能效果的影响,以某水库为例,对弯曲溢洪道进行水工模型试验,对比了溢洪道陡槽弯道设置导流墙前后挑流流态、冲坑淘刷形态和消能率,评价了导流墙对挑流消能效果的优化作用。试验结果表明,溢洪道陡槽弯道设置导流墙使水流流态分布均匀、冲刷坑面积及深度减小且对称分布,消能效果更好。

莲花台水电站宽尾墩联合消能工的应用研究

针对莲花台水电站泄洪建筑物泄量大、单宽流量大、河床易冲刷的特点,通过模型试验对原设计的挑流消能方案和Y型宽尾墩+戽式消力池联合消能工方案进行了对比研究。试验结果表明,联合消能工方案在典型工况下消能充分,下游河床及电站尾水护坦末端冲刷大为减轻,出池水流衔接平顺,下游河道流态明显改善。该研究成果对类似工程有借鉴意义。