某水电站琴键堰体型优化试验研究

琴键堰是一种新型的高效溢流堰,以曲折的堰顶结构来增加溢流前缘总长度,使得其泄流能力远超直线堰。针对某拟建水电站琴键堰泄流能力不足的问题,提出了增加展宽比(L/W)、增加堰高(P)和增加堰高且减少单元数(n)的优化方案,并通过物理模型试验进行验证,得到了满足设计要求的推荐方案。此外,本研究还探讨了水工模型类别(整体及断面模型)和比尺效应对琴键堰泄流能力的影响。通过对比分析优化方案可知:方案M1(展宽比L/W由7.75增至8.88)中,琴键堰泄流能力得到了一定程度的提高,但泄流能力仍不满足设计要求;方案M2(堰高由4.50 m增至6.50 m)和M3(堰高由4.50 m增至6.90 m,单元数由17.5个减至8.5个)中,琴键堰泄流能力显著增加,该两种方案皆可满足设计要求。试验结果表明:与琴键堰整体模型相比,其断面模型测得的泄流能力偏大约6%;对于琴键堰,当模型堰上水头大于2.50 cm时,比尺效应对琴键堰泄流能力的影响可以忽略。

琴键堰增设护墙对泄流能力影响的模型试验研究

为探究在堰顶增设护墙以及护墙高度对琴键堰泄流能力的影响,通过模型试验对比分析了8种不同高度护墙琴键堰的泄流能力,并通过数值模拟对5种不同高度护墙琴键堰各溢流前缘的泄流量、水面形态以及流速分布等特征进行了分析。结果表明:相较于基础体型,增设护墙提高了进口和出口宫室的泄流效率和泄流量占比,提高了侧堰泄流量,减少了侧堰溢流碰撞,提高了水流下泄流速,从而提升了琴键堰的泄流能力;增设护墙高度为堰高的13%时,泄流能力提升最大,当相对水头H/P<0.20、0.20<H/P<0.40时泄流能力可分别提升8%~15%和10%~12%。

琴键堰水力特性数值模拟

为了探究琴键堰水力特性,采用VOF模型模拟了琴键堰运行时的三维流场,采用Lempérière的试验结果验证了VOF模型数值模拟方法的可靠性。通过不同几何结构的琴键堰进行的正交数值试验,确定了影响琴键堰泄流效率的主要几何参数;并针对这些几何参数,进行了数值仿真计算和理论分析,推导了琴键堰的新流量计算公式,经验证,该公式最大相对误差为6.7%,平均相对误差为3.7%。研究成果可为琴键堰的设计和工程应用提供可靠理论依据。

琴键堰不同堰高泄流特性的数值模拟

采用基于VOF自由面捕捉的全三维紊流数值模拟的方法,对琴键堰各个流量断面进行了泄流量的分析。通过比较五种不同堰高的琴键堰的泄流情况,分别从各个断面的流量所占的百分比、单宽流量和泄流效率等方面,得出了堰高对各断面的影响,从而得出了堰高越高泄流能力越强的结论,为今后的工程和研究提供参考。

琴键堰泄流能力影响因素与计算分析研究

近年来特大洪水和超标准洪水频繁发生,已建水利工程泄流能力不足问题日益突出。琴键堰在适当低水头条件下具有高效泄流效率。归纳了琴键堰主要结构参数对其泄流能力的影响及最佳取值,总结了琴键堰流态对泄流能力的影响,分析了琴键堰发生低水头行为的条件参数。通过对比现有琴键堰泄流能力估算公式,并结合国内外已有试验数据,采用遗传算法拟合推导了基于溢流堰轴线长度L、堰宽W、堰长B、堰高P、进出水宫室宽度比Wi/Wo及上下游倒悬长度比Bo/Bi流量系数计算式,整体误差小于6%。该式计算简单,适用于琴键堰整体泄流能力估算,可根据实际需求选取合适的估算公式。琴键堰主要结构参数的最佳取值及泄流能力的计算方法可为超标准洪水条件下泄流建筑物设计或改建提供估算依据。

琴键堰过流水力特性数值模拟

琴键堰是一种新型的迷宫堰结构形式,其特点是相同堰宽、水头条件下泄流能力提升显著,采用RNG k-ε型湍流数学模型,VOF法处理自由水面,建立三维数学模型。通过对不同工况琴键堰体型的模拟计算,获得三维流场水流流态、流速等信息。结果表明:(1)采用Fluent软件对琴键堰进行数值模拟的适用性强,并验证了琴键堰的泄流效果显著;(2)琴键堰的三维流场流态复杂,具有三元水流的性质,堰上水头的变化影响琴键堰的泄流能力;(3)上、下游处水流呈明渠流状态,速度最小,为0.2m/s,流经堰体时形成水舌,流速增大,水舌与堰壁间空腔处有通气孔掺气,形成漩涡区,气体流速2m/s,水舌入水后有水气混掺。利用数值模拟技术,使获得的流场信息更加详尽,为进一步研究琴键堰流场特性奠定基础。

不同上下游倒悬比琴键堰泄流特性试验研究

琴键堰是一种新型的迷宫堰,具有超强的泄流能力,受地形限制影响小等特点,被认为是目前解决水库泄流能力不足的有效方案之一。为了弄清楚琴键堰关键体型参数之一——上下游倒悬比(Bo/Bi)对其泄流能力的影响规律,在长16m、宽0.5m、深0.75m的矩形钢化玻璃水槽中建立了三种不同上下游倒悬比的琴键堰模型并分别进行了19种不同流量工况下的过流试验,得到了对应工况时水面线的高清实拍照片和琴键堰的上下游水位等信息。结果表明:不同上下游倒悬比的琴键堰模型上的自由表面均呈现有随流量增大而由水平到弯曲再到大斜率倾斜的变化过程。对于Bo/Bi大于1的琴键堰模型,Bo/Bi越大,琴键堰的超泄比越大且泄流能力也越强。当Bo/Bi为2.5时,其泄流量最大比Bo/Bi=1时提高约16%。另外,通过量纲分析的方法,进一步拟合了含多参数、高精度的琴键堰泄流系数公式。

琴键堰在水利界的研究与应用现状

本文将国内外对琴键堰的流态特征、水力特性、影响水力特性的各重要参数、结构设计及施工等问题的研究成果及应用情况作了系统的归纳和详细的评述,并对琴键堰上游淤积、下游消能冲刷影响及在大坝河谷中修建琴键堰等问题作了讨论。总结了琴键堰的发展趋势,希望找出琴键堰合适的适用条件,为以后的工程建设提供参考,具有实用价值。迄今为止,所有已建的琴键堰均采用了物理比例模型进行研究,数值模拟能够以可接受的精度再现琴键堰下游的复杂流动条件,从而用于验证下游结构设计或研究能量消散。然而,因缺乏系统的试验研究,目前琴键堰下游流动条件的详细数据明显不知,影响了数值模型的开发和验证。建议在该领域开展进一步的研究工作。

琴键堰不同溢流前缘泄流特性的数值模拟研究

琴键堰是本世纪初提出的新型迷宫堰型,倒悬的设计使其基座大为减小,适合安置在任何坝型上,是一种解决大坝泄洪能力不足的有效方案。尽管实验研究证实了其优越的超泄能力,但是由于实验测量无法区分不同溢流前缘上的泄流量,限制了对其复杂流动特性的认识。本文基于VOF自由面捕捉的全三维紊流数值模拟,对其泄流特性进行分析研究。模拟得到的泄流量与实验非常吻合,低水头时泄流能力几乎与溢流前缘的长度成正比,高水头时逐步下降。获得了琴键堰出水口、进水口及侧向三个溢流前缘上的泄流量,分析了出水口、进水口及侧向泄流在总泄流中所占的比重及泄流效率随水头升高的变化规律,从流态的角度分析了影响泄流效率的机制。研究成果深化了对琴键堰不同溢流前缘泄流特性的认识,指明了琴键堰体型优化的方向。

琴键堰泄流能力数值模拟研究

气候异常变化导致极端洪涝灾害频发,对已建工程提高泄流能力是非常迫切的课题。琴键堰作为新型的迷宫堰,以具有更强的泄流能力和受地形限制小的特点而被广泛运用。通过调试琴键堰进出口宽度,可以达到改善泄流能力的目的。为此,运用FLOW-3D软件对琴键堰泄流能力进行数值模拟,得到琴键堰在不同的进出口宽度条件下的流态、堰上水头、泄流系数和消能率等水力特性。结果表明,进出口宽度一定时,来流水深越大,堰上水头越大,泄流系数越大,消能率越大。来流水深一定时,进口宫室宽度越小,出口宫室越大;进出口宽度等于2.40 m时,堰上水头最小,泄流系数越大,消能率越小。

泄洪条件下新型折线堰水力特性物理模拟试验研究

老旧水库的除险加固成为我国水利工程建设中的重要任务之一,琴键堰可以显著提升大坝的泄流能力,但其复杂的结构和短暂的历史使其水力特性研究尚显不足。采用室内物理模拟的方式,针对在不同水头和堰高下琴键堰的水力特性进行研究。研究结果表明,水头高度增加会降低琴键堰的泄流能力,但其泄流效率始终高于传统直线堰;堰高是影响琴键堰泄流效率的主要影响因素,在泄流量较大的水库中,可以增加琴键堰的堰高来提升其泄流能力。研究成果能为琴键堰的设计完善和应用推广提供借鉴意义。

一种经济高效的新型溢洪道方案

自由溢洪道与闸控溢洪道相比结构更简单,也更安全,但传统型自由溢洪道由于比流量较小而需要较大的溢流水舌深度,因此造成水库库容大量损失(全世界损失1000亿m3)。一种新型的自由溢洪道———琴键堰(Pianokeysweir)能够使比流量增大到4倍或更多,能大大降低大多数新建大坝的费用,并能以较低的费用提高许多已建大坝的安全性、库容和/或防洪效率。