变坡比衔接段结构阶梯溢洪道水力特性研究

该文依托庙堂水库溢洪道工程,采用数值模拟的方法对比了传统曲线型衔接段阶梯溢洪道与变坡比衔接段结构阶梯溢洪道的水力特性,结果表明:变坡比衔接段结构能够有效降低阶梯消能结构的流速,最大降低40%,校核工况下使得消力池进口流速降低47%,能有效缩短消力池的长度,节省工程造价;变坡比衔接段结构溢洪道负压幅值降低38%,降低了阶梯结构发生空化破坏的几率,同时阶梯溢洪道的消能率提高10%,更有利于溢洪道的消能。变坡比衔接段结构阶梯溢洪道的适用性更强,更有利于溢洪道的安全运行,可为类似工程提供参考。

坎式阶梯溢洪道水力特性研究应用

基于坎式阶梯溢洪道消能效果更好及掺气效率更高的客观事实,采用湍流模型中的k-ε模型与Volume of Fluid界面追踪方法相结合的三维数值模拟技术,对某大型水电站阶梯溢洪道水流流态、流速、压强、掺气效果、消能效果等水力参数取值受尾坎设置位置及高度的影响程度展开模拟分析,并将三维数值模拟结果和几何模型试验结果展开比较。结果表明,在假定尾坎位置不变的情况下,水流流态类型及掺气效果并不会受尾坎高度和尾坎与台阶末端距离比的影响;而随着尾坎向上游移动,不同体型、不同台阶高度下溢洪道水流流态、流速及压强等水力要素均表现出不同的变化趋势,这为水利工程尾坎式阶梯溢洪道设计提供了可靠依据。

一种新型差动式阶梯溢洪道的消能特性研究

新型的差动式阶梯较传统阶梯式溢洪道具有明显的消能效果。新型差动式阶梯溢洪道的消能特性为实际工程中的泄洪消能领域提供了新方法、新思路,提高了消能效率和泄流能力,节省了经济成本。对于这种新型的差动式阶梯的结构形式,通过建立不同工况的模型,探究消能的效果。运用FLOW-3D软件,对新型差动式阶梯溢洪道的消能特性进行数值模拟,探究在设定工况后,具有横坡的台阶形式的差动式阶梯溢洪道在不同初始水位下的水流流态、水流流速、消能率等。结果表明,在差动式阶梯模型上的自由跌水流现象明显。上一阶水流在自由落体状态下通过撞击、混合和分解下一阶上的水流以及在台阶形成部分或完全的液压跳跃来消散能量,台阶的横坡增强水流冲击、破碎和混合;台阶的斜率增加台阶高度,形成横向流动。

前置掺气坎式阶梯溢洪道掺气水深及消能率的计算

在前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性、消能特性、掺气效果、抗空蚀特性研究的基础上,运用动量矩方程推导出阶梯溢洪道形成均匀流时的掺气水深和消能率计算公式,建立了不同单宽流量下掺气水深与阶梯尺寸之间的关系以及阶梯尺寸、阶数与消能率的定量关系。研究表明,前置掺气坎式阶梯溢洪道具有掺气量与掺气浓度宜于控制,底部掺气充分,抗空蚀性能优越,消能率高,适宜于大单宽流量溢洪道等显著特点,可作为进一步推广应用阶梯式溢洪道的理论和试验基础。研究成果得到模型试验的验证并应用于实际工程中。

前置掺气坎阶梯溢洪道近壁掺气特性

为更清楚地认识前置掺气坎阶梯溢洪道近壁面沿程掺气规律,对其掺气特性进行了研究,得到了在不同坡度、单宽流量、台阶体型条件下阶梯竖直面和水平面近壁处掺气浓度沿程分布规律,并与不设前置掺气坎但设置过渡阶梯溢洪道的掺气规律进行了对比分析。研究表明:前置掺气坎式阶梯溢洪道中阶梯水平面与竖直面掺气浓度沿程的分布规律相似,受前置掺气坎的帮助,掺气浓度很高,沿程逐渐减小,达到一定距离后趋于稳定;掺气浓度随单宽流量的增大而减小,随坡度的减缓而减小;前置掺气坎克服了过渡阶梯存在前几级的底部清水区的缺陷,能够用于更大单宽流量。

阶梯溢洪道不同坡比消能研究

针对实际工程中难以确定阶梯坡比的问题,通过4个水利工程、5个阶梯坡比的模型实验,得出了对工程设计最实用的坡比范围1∶2～1∶3。在相同条件下对4种坡比的阶梯水流进行了数值模拟,进一步论证了上述阶梯坡比的合理性,计算结果直观再现了滑移流中的顺时针水流旋滚,以及旋滚下游水体在剩余阶梯平面长度范围内的贴壁运动,提出的速度分析有助于了解阶梯旋滚消能的成因。研究成果反映出,阶梯坡比小于1∶2,水流旋滚已得到充分发展。在坡比范围1∶2～1∶3内,阶梯消能能够达到60%。坡比超过1∶2,阶梯消能率将明显下降;坡比低于1∶3,消能率增长空间不大。

阶梯溢洪道的研究现状及展望

分别从流态分类、流场特性、压力特性、消能率以及影响消能率的因素等方面对前人研究阶梯溢洪道的成果进行归纳和总结。指出目前阶梯溢洪道研究中存在的问题及发展方向。

前置掺气坎式阶梯溢洪道体型特点及工程应用试验研究

为了避免阶梯溢洪道中前几级阶梯表面发生空蚀破坏,将掺气坎应用到阶梯溢洪道体型设计中,形成前置掺气坎式阶梯溢洪道。这既能充分利用阶梯增加沿程消能的优点,又能扩宽阶梯溢洪道的应用范围。工程模型试验成果表明,通过对掺气坎和阶梯的体型优化,各级流量的消能率均达到70%左右。1:40物理模型试验上实测溢洪道阶梯竖直面后的掺气浓度沿程分布均大于5%。研究表明这种新型阶梯溢洪道掺气量与掺气浓度易于控制,底部掺气充分,抗空蚀性能优越,消能率高,可以在高水头、大单宽流量溢洪道中推广应用。

鱼背山水库岸边阶梯溢洪道流场的三维数值模拟

本文采用k ε双方程紊流模型 ,针对复杂曲线自由水面和边界条件 ,分别引入适用于分层两相流的流体体积分数 (VOF)模型求解曲线自由水面和非结构网格来剖分三维计算区域 ,成功地对鱼背山水库岸边阶梯溢洪道流场进行了三维紊流数值模拟 ,得到了溢洪道沿程的自由水面位置、速度大小及分布、阶梯面上的压力、流场的紊动动能和紊动耗散率分布等重要流场特性 ,尤其是各种特性参数沿溢洪道宽度方向的变化和分布。利用上、下游的水深和流速计算了阶梯溢洪道的消能率 ,对阶梯溢洪道的紊流数值模拟研究做了一些开拓性工作。

V形阶梯溢洪道水力学特性试验研究

针对V形阶梯溢洪道在大单宽流量下运行存在的问题,研究了坡比为1∶2的V形阶梯溢洪道在不同单宽流量时的流态、时均压强、消能率等水力学特性。试验结果表明,同一阶梯的不同位置,漩涡的强度不同,越靠近中轴线漩涡强度越小;阶梯水平面上的负压区集中于靠近边墙的凹角处,中轴线附近无负压;阶梯竖直面上,凹角处时均压强最大;消能率较高,且适应范围更大。

某水库阶梯溢洪道水力特性研究

采用标准k-ε双方程紊流模型,结合VOF法,对某水库阶梯溢洪道的水面线、流速、底板压强等水力特性进行了数值模拟,部分计算结果与1∶30比尺水工模型试验的结果进行了对比验证。结果表明:单宽流量较大时阶梯段水流为滑移水流流态,阶梯段水面较稳定;消力池内为淹没水跃,水面波动剧烈。台阶水平面外缘的压强明显大于内侧,各个台阶的压强分布规律一致,阶梯加消力池联合消能的效果显著,可供类似工程参考。相关水力参数的数值计算值和试验结果吻合良好,三维紊流数值计算可以获得流场的详细信息,表明采用上述紊流模型来计算阶梯溢洪道的流场是可行的。

基于数值模拟的某阶梯溢洪道方案优化研究

基于数值模拟方法,利用FLUENT软件对某阶梯溢洪道原设计方案下的泄流能力、闸门全开时的水面线、沿程各段压力等值线、闸门全开时沿程流速分布等流场要素进行模拟计算,根据计算结果分析原设计方案中存在的不足和问题,并提出了新的优化设计方案。研究结果表明:新方案能较好的满足工程设计实际要求,并可对同类型阶梯溢洪道的优化设计提供有价值的参考。

台阶形式对阶梯溢洪道水力学特性的影响研究

大单宽流量下,阶梯溢洪道存在消能率较低、空化空蚀等问题。尽管前人对台阶尺寸、布置方式进行了相关研究,但鲜有涉及台阶形式本身。基于此,结合mixture方法,采用Realizable k-ε模型对几种新型阶梯溢洪道进行了数值模拟研究,对比分析了其流场特性、旋涡结构、掺气浓度、压强分布等。结果表明:设置尾坎不仅可降低主流流速,也能增加台阶上旋涡尺度和范围;各体形掺气浓度均呈“S”形分布,但是设置尾坎和调整台阶面均不能改善掺气效果,常规阶梯体形平均掺气浓度最高;坎式阶梯溢洪道台阶面上压强呈“凹”形分布,当台阶面上无尾坎时,台阶水平面上压强呈“S”形分布;设置尾坎和上翘台阶面均能增加台阶竖直面压强,但台阶面向下倾斜将使得负压区范围增加;设置尾坎和上翘台阶面均能增加紊动能耗散率,向下倾斜台阶面则相反;此外,坎式阶梯体形消能率比常规体形高约10%,上翘台阶面提高约6%,但向下倾斜台阶面使得消能率降低约10%。

某阶梯溢洪道与光滑溢洪道水力特性对比

某溢洪道工程原设计方案采用光滑溢洪道,但光滑溢洪道出口流速较大,挑距较远,对右岸岸坡造成冲刷破坏。对此,提出采用阶梯溢洪道替换光滑溢洪道的设计方案。为定量分析两种溢洪道水力特性,采用水工模型试验与数值模拟试验相结合的方法做了对比分析。结果表明,阶梯溢洪道的消能率明显大于光滑溢洪道的消能率,有效减小了溢洪道出口流速和挑距,避免了对下游岸坡的冲刷,该修正方案合理。研究成果可为类似工程提供参考。

尾坎位置对坎式阶梯溢洪道水力特性影响研究

坎式阶梯溢洪道具有较高的掺气效率,然而目前为止对其详细流场结构以及消能特性开展的研究尚不多见。为此结合VOF法,采用标准k-ε紊流模型对带尾坎的阶梯溢洪道进行了三维数值模拟,研究了不同尾坎位置对其水力特性的影响。结果表明:随着尾坎向上游移动,水面线和尾坎下游侧的旋涡大小均无明显变化,但尾坎上游侧的旋涡尺度逐渐减小;对于不同体型,同一台阶凸角上流速呈先增加后不变的规律,而对于同一体型,下游台阶凸角上流速大于上游的;台阶水平面上最大压强先增加后不变,台阶竖直面上最小压强逐渐减小,而尾坎下游侧竖直面上最小压强则呈增加的趋势;台阶面上最大紊动能耗散率逐渐增加,而尾坎上的则相反,总的消能率变化甚微。

前置掺气坎坡度对阶梯溢洪道掺气水流影响的数值模拟

为研究复杂边界条件下气液两相界面的流动及混掺现象对工程建设的影响,结合某大型水电站的溢洪道,利用RNG k-ε模型对其进行三维流场模拟,采用有限体积法离散控制方程,并用GMRES算法进行压力求解,对前置掺气坎式阶梯溢洪道和传统阶梯溢洪道泄流壁面上的高速掺气水流进行数值模拟。结果表明:随着掺气坎坡度的增加,其掺气空腔及掺气浓度均有所增大,随着水流下泄掺气浓度沿程降低,达到一定距离后趋于稳定,掺气浓度值达到了减免空蚀破坏的要求;与传统阶梯溢洪道的模拟结果进行对比可知,增设前置掺气坎后,既可以增加前几级阶梯的掺气浓度使水流提前达到水气平衡,也没有降低阶梯式溢洪道的消能率,为解决传统阶梯溢洪道中出现的工程难题提供了一种新思路。

带尾坎的阶梯溢洪道数值模拟研究

带尾坎的阶梯溢洪道是一种新兴的阶梯溢洪道,在一定条件下可提高掺气效果和消能率,但是对于该种溢洪道内水流三维结构、压强分布以及尾坎参数对相关水力学指标的影响的研究甚少。为此,采用三维紊流数值模拟的方法计算了不同尾坎高度的阶梯溢洪道内水流流态、压强分布、流场结构、旋涡结构、消能效果等。研究结果表明:增加尾坎高度会抬升水面高程,但对水面形态影响较小;台阶水平面上压强分布呈"凹"形曲线,最小值出现在台阶中部,台阶竖直面压强最小值出现在其顶部,且台阶水平面、竖直面上压强均随尾坎高度增大而增大;旋涡强度和尺度随着尾坎高度增大而增大,但是主流流速分布无明显变化;消能率随尾坎高度增大呈上升趋势,但是变幅较小。

基于PIV技术的阶梯溢洪道流场和涡量测试

鉴于阶梯溢洪道流场和涡量场分析对其消能特性的研究非常重要,利用粒子图像测速技术(PIV)测试了阶梯溢洪道滑行水流的二维流速场和涡量场,并分析说明了模型装置、仪器测试区域和相应参数设置。通过处理粒子图像获得模型水面线,验证了模型的水流流态为滑行流;从~#3～~#5阶梯的流速等值线分布特征得到阶梯滑行主流沿水深方向的流速变化,台阶凹角内旋滚水流的流速和转动周期;从~#3～~#5阶梯的垂直涡量场等值线分布,得出阶梯溢洪道滑行流态旋转水流产生的原因和运动方式,验证了阶梯溢洪道水流紊动耗散的主要原因;并通过计算阶梯消能率,说明了试验模型的消能效果。对PIV技术用于其他消能工消能特性的研究提供了参考。

阶梯溢洪道大单宽流量的水流特性及消能效果

溢洪道─宽尾墩─斜坡加糙─台阶─"Ｔ"型墩消力池联合消能工的试验研究表明，溢洪道（溢流坝）作成阶梯形状后，并与掺气减蚀措施相结合应用，在大单宽流量下，消能显著。由于阶台坝面掺气基本上可以减免空蚀，减轻冲刷，因此是一种较好的新型消能工。

阶梯溢洪道结构形式和应用研究概述

为提高大单宽流量阶梯溢洪道的消能和掺气能力,涌现出一大批新型阶梯形式。为掌握新型阶梯溢洪道研究现状,为泄水工程设计管理提供参考,根据大量既有资料,总结了10种新形阶梯型式的研究成果,给出了各阶梯概化结构图,并将新型阶梯的设计成果归纳为五大类。在阶梯应用形式方面,介绍了除传统泄洪消能之外的其他应用形式。研究成果可作为工程实践的参考。