跌坎式底流消能工的消能机理与水力计算

应用平面紊动射流理论,分析淹没射流在跌坎式底流消能工消力池中的运动规律以及跌坎式底流消能工降低临底流速的机理,得出射流扩散中心线上最大流速计算式。通过建立消力池内水流运动的动量方程,推导出跌坎式底流消能工的水力计算公式,通过试验验证,结果表明,公式是合理的,为跌坎式底流消能工的设计提供了依据。

连续跌坎型底流消能工水力特性的影响因素研究

通过大量的试验,测量了消力池底板压强分布规律、池内流态和流速分布,着重分析了入池水流单位重量水体能量、入池角度和跌坎高度的变化对消力池底板冲击压力、临底流速、池内流态及消能率的影响。研究表明,连续跌坎型底流消能工的跌坎高度与入池角度之间存在一种最优组合,可既保证消力池中消能率高,又能满足临底流速和底板动水冲击压力小的要求。该研究成果可为工程设计提供一定的科学依据。

坎深和入池能量对跌坎型底流消能工流态影响的数值模拟

跌坎型底流消能工是建立在常规底流消能工基础上的一种消能方式,相对于常规底流消能工能有效降低消力池的临底水力学指标。本文采用RNGk-ε双方程紊流模型进行数值模拟;数值计算采用SIMPLE算法的改进的算法PISO算法;对于自由水面线,采用VOF方法对进行追踪模拟。并对计算结果与物理模型观测值进行了对比,两者结果具有较好的一致性。

跌坎式底流消能工坎后横轴漩涡水力特性研究

通过水力学试验方法,对跌坎式底流消能工坎后横轴漩涡的水力特性进行了初步研究。详细分析了横轴漩涡的形式以及其运动区域的变化,并对漩涡与底板和跌坎面切点处流速的变化、漩涡区相对于消力池整体压力的变化进行了初步的分析。

跌坎型底流消能工淹没射流区流速衰变规律

跌坎型底流消能工消力池内的流态为淹没射流和淹没水跃的混合流态,为了解淹没射流区的水力特性,应用紊动射流理论,分析了淹没射流区主流的扩散规律、主流轴向最大时均速度的衰变规律。采用水力学试验方法,借鉴目前研究成果的基础上,开展了淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变规律的研究。通过试验研究结果,推导出以入池角度为控制目标的跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变的半经验公式。

跌坎型消能工附壁射流区域掺气特性试验

采用水力学试验的方法，测量了弗劳德数为3．08～5．42时，跌坎型底流消能工在不同流量、跌坎深度以及入射角度下，附壁射流区及其附近水域的掺气浓度值，通过对比分析，得到入池流量、跌坎深度以及入射角度对该区域掺气浓度沿程分布的影响规律。试验结果表明：在本试验条件下，当入射角度、跌坎深度一定时，该区域掺气浓度随入池流量的增大而增大；当流量一定、单一改变跌坎深度或单一改变入射角度时，该区域掺气浓度值无明显变化；无论入池流量、跌坎深度、入射角度改变与否，该区域临底掺气浓度均沿程呈现出先增大后减小的规律，而其他水深断面的掺气浓度则沿水流方向呈沿程衰减的规律。

跌坎型消能工冲击区流速衰减规律研究

跌坎型底流消能工冲击区对消力池的消能效率具有决定性的影响,而冲击区入射主流轴线流速沿程衰减规律及机理尚不明确。采用水工模型试验方法,开展了冲击区主流轴线最大流速与跌坎深度、入池流量之间相互关系的研究,结果表明,跌坎型底流消能工冲击区入射主流轴线流速的衰减遵循一般的射流衰减规律。通过水工模型试验结果的无量纲化,给出了u_((i)max)/u_0(入射主流轴线各特征断面点流速的无量纲值)—x_i/L(入射主流轴线各特征断面点距离的无量纲值)的关系,研究结果表明:跌坎型底流消能工冲击区入射主流轴线流速衰减规律不受跌坎深度、入池流量的影响,具有相似的衰减趋势;入射主流轴线流速沿程衰减拟合曲线表明入射主流轴线流速沿程得到充分衰减。

跌坎型底流消能工冲击区时均动水压强分布与抗冲磨强度确定

在跌坎型底流消能工消力池内水流流态分区的基础上,根据自由紊动射流理论,得出不同入射角度下冲击区时均动水压强半经验公式。利用冲击区底板时均动水压强分布图,在角度和流量不变的工况下,跌坎的变化对底板时均动水压强的影响,以及角度跌坎不变的工况下,流量的变化对底板时均动水压强的影响,显示出冲击区最易遭受冲磨与破坏的区域。以某水库工程为例,由实测数据推求经验公式相关参数,验证经验公式的可行性,进一步结合临底流速求出消力池底板混凝土抗冲磨强度分布图,对底板分区,为合理确定消力池底板混凝土强度等级提供参考。

跌坎型底流消能工跌坎深度在工程优化设计中的应用

以某工程导流泄洪隧洞底流消能工为试验研究对象,原方案试验中,在闸门半开工况下,下泄水流出现脱离泄槽底板现象,不利于下泄水流的消能,经研究,改变压坡段底板坡度,同时将泄槽的两个坡段改成一个坡段;原方案底流消能工消力池内均发生远驱式水跃,消能效果差,通过研究采用以最大临底流速为控制目标的最小跌坎深度计算公式,确定消力池底板高程。经两次优化试验后,消除了闸后水流脱离泄槽底板的现象,下泄水流流态稳定,消力池内形成稳定的淹没水跃消能,出池水流与下游水流衔接较好,消力池内临底流速和时均动水压强均明显降低,消能效果好。

跌坎型底流消能工淹没射流掺气浓度分布规律试验

采用水力学试验的方法,测量了跌坎型底流消能工在不同流量、跌坎深度下,淹没射流区的掺气浓度值,并通过对比分析得到入池流量与跌坎深度对该区域掺气浓度沿程分布的影响规律。试验结果表明:跌坎深度一定时,掺气浓度随入池流量的增加而增加;流量一定时,跌坎深度越大,掺气浓度越小;不论跌坎深度、入池流量改变与否,该区域掺气浓度沿射流流程均呈现先增大后减小的规律;经综合分析入池流量、跌坎深度、射流流程与掺气浓度的关系后,文中给出了射流轴线处掺气浓度计算的经验公式,该公式计算值与实测值基本吻合。

高水头大单宽流量底流消能技术研究成果综述

向家坝水电站最大坝高161m,校核洪水下泄流量约49000m3s,其泄洪消能建筑物是典型的高水头、大单宽流量、大泄洪功率、高含沙率泄洪工程。由于环境要求严格,常规的底流消能消力池无法达到工程要求。结合工程特点,兼顾“水力与结构”要求,提出了跌坎底流消能形式,并分连续坎和高低坎两个系列进行研究,解决了向家坝水电站泄洪消能难题。该研究成果对高水头、大单宽流量底流消能理念和设计思路具有创新性,为工程设计提供了科学依据,成果可在相关工程中推广应用。

不同入射角浅俯淹没射流水力特性试验研究

该文设计不同入射角的浅俯淹没射流,对水垫塘中轴面二维流场的水力特性开展试验研究,得到了不同入射角的底板动水压强分布规律和淹没射流区及贴壁射流区的最大流速沿程分布,滞点及其最大底板动水压强和最大近底流速与入射角间的关系式。研究结果表明,不同入射角的浅俯淹没射流作用在底板上的动水压强,尤其在冲击区半扩展长度范围,具有相似的分布规律。入射角大于25°时,淹没射流沿入射角直线扩散;入射角小于25°时,淹没射流主体段在下游漩滚挤压作用下向上游偏转,动水压强最大的冲击滞点偏向上游。