大坡度台阶式溢洪道中的水翅现象

水翅是大坡度台阶式溢洪道在流量较小时出现的一种水流现象。模型试验表明：当斜坡角度为40°～60°时，水翅几乎存在于整个跌落水流范围内，甚至持续到过渡水流。随着溢洪道底坡的增大，水翅流量变化范围变小、高度增加；但是随着台阶尺寸的减小，流量变化范围缩小、高度降低；水翅的落点处．台阶面上压强明显增大。

窄缝消能工冲击波及水翅特性研究

窄缝消能工(STED)是一种结构简单、消能高效率的消能设施,广泛应用于高水头、大流量及窄河谷条件的水利工程。然而,由收缩段中冲击波造成的水翅作为窄缝消能工的一种特殊水力现象,将给下游岸坡稳定性和建筑安全带来危害,而由水翅造成的危害没有引起足够的重视,因此有必要对冲击波的形成机制及由此造成的水翅的运动特性进行专门研究。通过模型试验深入研究流态,结合理论分析揭示了窄缝消能工冲击波和水翅之间的内在联系。通过加入修正系数的方式将Ippen理论应用于窄缝消能工中,提出了冲击波波角的简化计算公式和水翅影响范围的估算方法。模型试验的结果显示该估算方法能够精确反映水翅的影响范围,计算相对误差在5%以内。

溢洪道中墩水翅的消减研究

针对消减溢洪道中墩后水翅问题是溢洪道设计中的难题,以印度尼西亚Jatigede大坝溢洪道为例,探讨了水翅产生的原因和影响因素,提出了一种新的中墩体型以解决溢洪道中水翅问题;并采用数值模拟和模型试验两种方法验证了新中墩体型在消减水翅方面的明显作用,可为溢洪道中墩优化设计提供依据。

泄洪洞中墩水翅现象的试验研究

为了研究泄洪洞中墩的水翅问题,设计了2种中墩方案并进行了1∶40的水工模型试验.试验结果表明:(a)单洞结构尺寸较大的泄洪洞在进口段加设中墩后,由于水头高、流速大,会发生水翅冲击顶部和边墙的现象,并会对泄洪洞的安全运行构成威胁;(b)水翅现象与中墩的几何参数和水面下凹深度和长度有关,水翅长度随中墩长度的减小和水面下凹长度的增加而增加,水翅高度随中墩长度的减小和水面下凹深度的增加而增加;(c)水面下凹深度与中墩几何参数也有密切关系.

陡坡台阶式溢洪道中的水翅现象

水翅是陡坡台阶式溢洪道在流量较小时出现的一种水流现象。模型试验表明:当斜坡角度为40°～60°时,水翅存在于几乎整个跌落水流范围内,甚至持续到过渡水流;随着溢洪道底坡的增大,水翅存在的流量变化范围增大、高度增加;随着台阶尺寸的减小,水翅高度降低,所存在的流量变化范围缩小。

窄缝挑坎水翅轨迹及降雨特性研究

窄缝挑坎因边墙收缩形成的水翅击打岸坡,可能会对岸坡稳定构成威胁,而相关研究鲜见报道。为了揭示该消能工水翅运动规律及其形成的降雨强度在下游临岸侧的分布特性,通过建立系列物理模型,开展了窄缝挑坎收缩比和挑角与水翅特性间关系研究。结果表明:随着收缩比减小,水翅被抛射得越高,次生水翅引起的降雨分布区域位置上移、范围增大;随着挑角减小,水翅顺水流向运动轨迹变化不大,但横向扩散加剧导致降雨横向分布范围增大。在此基础上提出了次生水翅横向扩散系数的概念,可用于预测不同挑坎体型下次生水翅引起下游降雨范围的形状特征。该成果可丰富窄缝挑坎研究内容,扩大研究范围,并为其体型设计提供更全面的理论依据。

基于降雨分析的窄缝挑坎消能工水翅特性研究

通过建立窄缝挑坎消能工物理模型,模拟研究出射水流的激溅水翅问题。通过调整窄缝挑坎体型参数(弗氏数Fr、收缩比β、挑角θ)以获得不同出射水流条件,进行对比试验分析水翅的成因及其引起的降雨量区域强度变化趋势,甄别影响水翅形成及其强弱变化的主要水力参数,总结其变化规律。研究表明,窄缝消能工水舌的外缘挑距和入水长度均会随着弗汝德数Fr的增加而增大,挑坎下游典型区域的雨量分布亦随之发生变化;随着窄缝收缩角的增大,急流冲击波波角逐渐变小,水翅向岸边扩散的角度变小,冲击波交汇点距离窄缝出口更近,降雨向岸边扩散的范围也逐渐变小;此外收缩比与水舌外缘挑距和入水长度变化成反比。本研究成果可进一步加深对窄缝挑坎消能工水力特性尤其是水翅形成机理的认知,为工程实践提供优化依据。

窄缝消能工水翅扩散降雨特性试验研究

窄缝消能工冲击波水翅扩散降雨对岸坡稳定及岸上建筑物的安全运行构成威胁。采用水工模型试验方法,研究窄缝消能工在不同来流Fr数、收缩比及底板挑角等参数条件下的水翅横向扩散降雨特性,揭示了不同参数对降雨区域形态及降雨强度分布的影响规律。研究结果表明,水翅降雨区域形态对窄缝底板挑角变化较为敏感,水翅产生雨强递减速率随着收缩比增大而增大,随着底板挑角增加（-10°～0°）而增大;最大降雨强度位置距窄缝出口纵向距离随着Fr数增加而增大。试验参数值选取范围主要考虑的是工程常用范围,可为深入研究窄缝消能工急流冲击波与水翅扩散问题提供参考。

窄缝挑坎水翅危害强度研究

为了探讨水流流经泄水建筑物末端的窄缝挑坎时产生的水翅导致强降雨对下游造成的不利影响,进行了系列模型试验研究,分析了能够表征水翅危害强度的各参数(水翅影响区距挑坎出口位置、降雨强度等值线包裹范围面积、椭圆形态系数、椭圆偏态系数),并构建水翅危害强度表达式。利用此表达式对模型试验实测降雨强度计算分析,结果表明:来流弗劳德数增大及挑坎底板采用的俯角角度减小时,窄缝水翅对泄水建筑物产生的危害强度呈降低趋势,而对下游岸坡和环境危害强度呈增加趋势;挑坎收缩比减小时,对泄水建筑物及下游岸坡和环境的危害强度均呈增加趋势。研究成果可用于物理模型试验研究时定量评判窄缝挑坎水翅危害强度,为窄缝挑坎体型参数选择提供理论支撑。

庙堂水库溢洪道中墩水翅消减研究

水翅现象是溢洪道及泄洪洞等泄水建筑物闸室中墩后常见的一种水力现象。针对庙堂水库溢洪道中墩尾部产生的严重水翅现象,采用比尺为1∶30的模型试验对3种中墩体型进行对比研究。结果表明,两孔水流在体型1椭圆形中墩后交汇对冲形成了大尺度的水翅;体型2在消减溢洪道中墩尾部水翅作用有限,在墩后依然形成了强烈对冲。体型3中墩尾墩的前后端面采用流线型曲线连接,确保水流沿尾墩流线型曲面光滑流动,避免流动速度突变有效消减了水翅规模,下泄水流更加平顺,泄流流态显著改善,可供类似工程参考。

台阶式溢洪道中墩水翅影响因素及改善措施

为探求台阶式溢洪道中墩水翅的影响因素、消减原则及改善措施,采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法,研究了某水库台阶式溢洪道中墩水翅附近区域的水力特性参数,分析了台阶式溢洪道的水翅影响因素。在此基础上提出了消减水翅的原则,并设计了一种适用于台阶式溢洪道的渐变式尾墩。数值模拟结果表明,渐变式尾墩和小台阶可有效改善水流流态,消除水翅。研究成果可为类似工程提供参考。

溢洪道闸墩后水翅的水力特性及消减措施研究

为研究如何避免溢洪道泄洪过程中,闸墩后生成的水翅会给泄洪安全带来诸多不利的影响。本文利用量纲分析和物理模型试验方法,对溢洪道闸墩后水翅的水力特性和消减措施开展研究。试验结果表明,影响水翅长度和高度的主要因素有闸墩尾部出口处的弗劳德数Fr 0、溢洪道坡度i、闸墩宽度等;在相同泄流条件下,若泄槽坡度变小,水翅长度也随之减小,而水翅高度却相应增加;当弗劳德数Fr 0介于2.3与2.8之间时,闸墩后的水翅长度和高度均显著增大。试验还发现水翅的长度、高度与闸墩后泄流下跌角度α有关,当α增大时,水翅长度和高度也随之增大;当α较小时,水翅现象明显减弱或消失。研究结果为实际工程消除水翅现象提供了新思路,提出的复合式斜尾墩比传统四棱台型尾墩能更好地避免水翅发生,对改善溢洪道、泄洪洞闸墩后的水流流态具有参考价值。

大坡度、紧凑型溢流坝中墩水翅消减研究

针对大坡度、紧凑型溢流坝中墩尾部水翅问题,基于某水库工程实例,采用物模试验和数值模拟方法对3种中墩体型进行了对比研究。结果表明,两孔水流在体型1传统中墩后交汇对冲形成了大尺度偏向左岸的水翅和墩尾空腔;体型2消减大坡度、紧凑型溢流坝中墩尾部水翅作用有限,且墩后空腔有所增大;体型3中斜尾墩采用大侧收缩角、小顶面夹角结构设计,有效消减了墩后横向流速峰值和水翅规模,下泄水流更加平顺,溢流坝面和消力池入池流态显著改善,可供类似工程参考。

水电站溢洪道中墩尾部水翅消减方案试验研究

水电站溢洪道中墩尾部水翅现象十分普遍且危害严重,是水利工程中研究的重点课题。为优化溢洪道中墩尾部水流形态,减小水流冲击波,采用理论分析的方法,设计了变宽度斜尾墩,并采用物理模型的形式对变宽度斜尾墩以及传统尾墩形式进行了试验研究。从试验结果来看:水翅规模最大的是无尾墩方案,椭圆形和尖圆形方案能在一定程度上改善水流结构;但水翅规模消减程度有限;而变宽度斜尾墩能有效的分散水流对冲点,改善水流结构,显著的减小水翅规模,改善流态。

溢洪道中墩水翅的数值模拟

采用Realizable k-ε模型和VOF多相流方法,对溢洪道引水渠、溢流堰和泄槽段进行三维数值模拟.分析了中墩尾部水翅的成因与影响因素.对平尾墩、半圆形尾墩、椭圆形尾墩和斜尾墩4种中墩尾部体型设计方案的数值计算结果进行对比分析,确定斜尾墩设计方案为最优方案.对平尾墩、斜尾墩体型设计方案,采用物理模型试验进行验证.结果表明,数值模拟结果和物理模型试验结果相符,增设斜尾墩的优化方案能够较好地解决溢洪道中墩水翅问题.

超长龙落尾式溢洪洞水力特性研究

以某大型水利工程中的2号龙落尾式超长溢洪洞为研究对象,采用k-ε双方程紊流模型,结合1∶50正态水工模型结果,对特征水位下的溢洪洞各项水力学特性进行分析,以探究超长溢洪洞垂向流速沿程分布规律及水翅成因。结果表明:①数值模拟与模型试验结果之间的吻合较好,验证了数值模拟的可靠性和准确性。②龙落尾式溢洪洞的布置减小了高流速破坏的风险,同时在掺气坎区域形成稳定的掺气空腔,表明布置方式是合理的。③超长溢洪洞垂向流速分布中心区与对数分布拟合较好,而靠近底板和水面的区域则更符合抛物线分布。随着流程的增加,超长溢洪洞的断面流速分布不均匀度增大,高速流速区逐渐向靠近水面的中上部集中。④在变坡处,掺气坎前垂向流速分布不均匀,坎后的水舌与龙落尾段底板的交角较大,导致两侧边墙出现强水翅,建议采取措施消除这些不利影响。

康苏水库溢洪洞水力特性三维数值模拟研究

以康苏水库工程溢洪洞为基础,采用FLOW 3D软件中RNG紊流模型和VOF模型研究了溢洪洞内水流特性,分析了原设计方案不同工况的流速流态及相对消能率,并与模型试验结果作对比,验证了数值模拟研究结果的可靠性,进而针对原设计方案中溢洪洞上游渐变段易产生水翅、消力池产生远驱式水跃、下游冲沟水流不归槽等问题,提出了修改方案。结果表明,修改方案能有效地减弱水翅现象,通过增加多级消能,能明显减小下游冲沟水流流速,减轻河床冲刷,可为设计提供参考。

伯司阿木水库工程表孔溢洪洞水工模型试验研究

表孔溢洪洞是泄水建筑物的重要组成部分,体型的合理性直接关系到水库后期的安全运行、泄流能力和水流流态的平稳。通过伯司阿木水库工程表孔溢洪洞模型试验,研究分析不同水位条件下表孔溢洪洞泄流能力,并通过对渐变段、调整段、调流鼻坎段的体型的优化调整,提出合理的修改参数。通过对挑流鼻坎体型的优化调整,可使水舌在纵、横向实现良好的拉开和扩散,并且水舌基本均匀地落入河道中间。图1幅,表5个。

二滩中孔伸缩式止水闸门水力学实验研究

根据不同比尺的系列缝隙模型试验探讨了模型比尺问题；在１∶２０的模型上观测了水流撞击边墙的起始点位置及水翅（包括缝隙流）的飞溅高度；指出了闸门局部开启时水流顶部扩散用增大的原因及其计算公式；观测计算了水流对边墙的冲击荷载及水翅对门铰支承梁的冲击荷载；同时还指出了在水流对边墙的冲击荷载中，缝隙流所占的比重较小，另外，在缝隙模型试验中还论证了增设辅助止水的必要性。

泄洪洞工作闸室及陡坡明渠段体型优化数值模拟

对九甸峡水电站右岸泄洪洞工作闸室,包括圆直段、圆变方段、方洞段、弧形闸门段、渐变段和明渠段流场进行了数值模拟。获得了水面线、压力、空化数、流速等水力要素。成功捕捉到了压力洞出口处的水翅、突扩跌坎处侧空腔和底空腔。计算结果与实测数据符合较好,根据计算结果,提出了能解决原方案负压区严重和明渠陡坡空蚀破坏问题的泄洪洞体型修改方案。