突扩式水跃共轭水深的简化解

分析突扩水跃的水力特性,给出水跃方程的简化解。在分析突然扩散式水跃段流态的基础上对回流水深作出假设,考虑水跃扩散比对回流水深的影响,运用动量守恒定律建立突然扩散式水跃方程。通过级数展开方法,推导出突然扩散式水跃方程的显式简化解,并给出有关参数的经验公式。突扩比β=1.0时简化解与试验结果的平均误差为1.924%,在3.0<Fr1<9.0范围内二元水跃经典解与简化解误差随着水流弗劳德数Fr1的增加而减小,最大误差小于3.001%,简化解能够与试验和二元水跃经典解吻合很好。在不同扩散比情况下,简化解与试验结果的平均误差为5.511%,说明具有良好的精度。因此,可以应用它进行泄水建筑物下游水力计算。

突扩式水跃共轭水深的直接解及验证

由于泄水建筑物下游的地形条件,突扩散水跃被广泛地应用于泄水建筑物下游消能防冲设计。文章建立了突扩水跃方程并用实验验证了它的直接解。在分析水跃段水流形态的基础上对突扩式水跃始端端墙断面压力作出假设,认为回流平均压力是水跃跃首压力、水跃跃末端压力及水跃扩散比的函数。然后,根据动量原理推导出突扩式水跃共轭水深的水跃方程。通过实验给出了回流水深计算式中有关参数的经验公式。建议了突扩式水跃共轭水深水跃方程的显式直接解。突扩式水跃共轭水深水跃方程的计算结果与实验的对比表明,平均误差为5.564%,具有高的精度;与改进前突扩式水跃共轭水深水跃方程的计算结果对比说明,误差小于5%的实验组次增加了15组,占总实验组次的比例提高了16.5%,计算精度明显提高。而且计算过程简单,因此,可以用于水利水电工程的水力计算。

突扩式水跃跃后水深的分析与计算

突扩式消力池常见于多孔水闸和泵闸结合的水利枢纽,其水跃跃后水深的计算是一个无法回避的问题。由于突扩式水跃水流的复杂性,对其跃后水深的理论研究尚不成熟与完善。根据已有文献的试验资料,对前人常用研究方法所得的突扩式水跃跃后水深成果进行了定量分析与比较。结果表明,当边墙反力对应的压强水头等于跃前水深和跃后水深的平均值时,其计算的跃后水深与实际更加相符。通过建立绕流阻力新模型,结合已有文献的实测资料,给出了突扩式水跃绕流阻力系数的计算公式,提出了突扩式水跃跃后水深计算的新方法,并对其准确性和通用性进行了验证。

渐扩式水跃跃后水深的计算

分析渐扩式水跃局部阻力系数随一般二元水跃局部阻力系数变化的规律,利用能量方程推导渐扩式水跃跃后水深的计算公式,得出了渐扩式水跃新的计算方法和跃后水深新公式,通过实际工程和已有公式对其正确性进行了验证。分析认为,在工程应用范围内(扩散角θ<9°),渐扩式水跃局部阻力系数与二元水跃局部阻力系数呈对数关系;提出的共轭水深新公式能满足工程运用要求,并且计算的跃后水深随着跃前断面弗劳德数的增大与已有公式计算的跃后水深值的偏离程度逐渐减小。

突扩式水跃跃长及跃后水深简化计算

针对目前突扩式水跃跃长及跃后水深求解公式存在的计算过程繁复、误差大、适用范围有限等问题,依据现有突扩式水跃试验实测数据成果,在对相关参数曲线特性全面分析的基础上,采用优化拟合技术,通过对多组备选函数的拟合逼近,获得了计算过程简捷、适用范围广的简化计算公式。精度分析表明,该公式求解水跃及跃后水深的最大相对误差分别为9.75%和8.84%,均小于现有公式的计算误差。

平底突扩三元水跃流场的数值模拟

应用湍流RNG k-ε模型封闭流体力学方程组,VOF法追踪自由表面,采用非定常流动PISO算法对R型水跃,S型临界式水跃和S型淹没式水跃进行了数值模拟。结果表明,采用Fluent软件对平底突扩三元水跃进行数值模拟具有较强的适用性。3种水跃在水流的上部区域均形成逆时针方向的翻滚漩涡。S型临界式水跃(z=0.024 m)发生了对称扩散,并在x=1.00 m断面与x=1.30 m断面之间形成了对称分布的漩涡。发现水流紊动能最大值在水跃中部,R型水跃发生的紊动能较大,S型临界式水跃和S型淹没式水跃两者的紊动能相近。分析中轴立面流速分布后,发现在相同位置的横断面上,R型水跃流速均较大。水跃区内,R型水跃边界层变化不大,S型临界式水跃边界层增长缓慢,S型淹没式水跃边界层增加趋势明显。S型淹没式水跃最大流速值以较快速率减小,并且最大流速值相比另外两种工况时小。

对流消力池的特性

从试验成果和数学分析两方面阐述对流消力池的特性。介绍了由于对流单元相对孔口位置不同所产生的不良的翻滚流态和有效的对流流态。根据补充的研究成果，确定消力池的最优断面、胸墙高度和尾水深度，以及第二级消力池的尺寸，并将对流消力池与“简单”水跃消力池、脉冲消力池作了比较。这种新型的消能设施用于下游水深小而弗劳德数大的情况。

桐溪湖(含水道)湖泊工程出水口的消能防冲设计

受城市规划、市政及城市防洪工程等较多因素的影响和制约,同时要兼顾城市水体、景观工程建设的需要,对城市中涉河、湖等水工建筑物的消能工设计提出了较高要求。文章介绍了长沙大河西先导区桐溪湖工程出水口采用撞击式跌塘消力池的消能防冲设计在充分利用下游水深的同时达到尽量减少消力池结构尺寸、减小工程量和工程占地的目的以满足城市市政建设的要求。

桐溪湖湖泊工程出水口的消能防冲设计

在城市规划建设中保留、改造相当的水域面积,合理规划流域内的水域系统,可以大幅度改善城市生态环境,提升城市品位。受城市规划、市政及城市防洪工程等较多因素的影响和制约,同时要兼顾城市水体、景观工程建设的需要,对城市中涉及河、湖等水工建筑物的消能工设计提出了较高要求。长沙大河西先导区桐溪湖工程出水口采用撞击式消力池的消能防冲设计,在充分利用下游水深的同时达到尽量减少消力池结构尺寸、减小工程量和工程占地的目的,以满足城市市政建设的要求。