泄洪消力池消力墩消能特性数值模拟研究

消力墩是常用的泄洪消力池消能结构物之一,对其消能效果与结构优化研究在枢纽结构设计中具有重要作用。为此,基于描述非恒定流运动的雷诺平均(RANS)方程和描述紊流运动的Realizableκ-ε湍流模型,采用VOF自由表面追踪方法,建立了模拟大自由表面变形流体运动的数值计算模型,对坝面泄洪引起的跌坎型消力池内复杂流体运动及消力墩的消能特性进行研究。首先,对不同坝面泄洪条件下消力池内水流运动进行模拟,通过将自由液面、水流流态及底板压强分布等的模拟结果与室内实测数据进行对比,验证了模型的模拟精度和可靠性;在此基础上,模拟分析了矩形、直角梯形和T形三种典型消力墩对消力池内水流流速、液面形态及湍动能分布的影响,探讨了长、宽、高相同、几何形状不同的消力墩的消能效果。结果表明,对水流能量的耗散作用,矩形消力墩优于直角梯形消力墩、直角梯形消力墩优于T形消力墩。

湖南省芦江水库溢流坝台阶和戽流组合消能设计

为了研究芦江水库工程溢流坝采用台阶+消力戽组合消能的可行性,结合工程特点,经综合分析大坝溢流面台阶+戽流组合消能和台阶+消力池组合消能2个方案,最终选择消能效果好、投资省的台阶+戽流组合消能方案。介绍了溢流坝面消能台阶步高和步长及消力戽尺寸拟定的方法、溢流坝面经过台阶水流流态、消能率及戽流消能等的水力学计算和水工整体模型试验。结果表明:计算和试验结果较为吻合,该工程溢流坝采用台阶+戽流组合消能是合理可行的。

新型宽尾墩在索风营水电站的应用与研究

把宽尾墩应用到碾压混凝土台阶溢流坝面,形成"宽尾墩+台阶坝面+消力池"联合消能工,是我国科技工作者的一大创举。索风营水电站单宽流量达207m3 s·m,在应用台阶溢流坝面工程中属最大,经模型试验验证常规宽尾墩联合消能工已不能满足要求,于是提出了一种新型宽尾墩形式———X型宽尾墩,它继承了传统宽尾墩的优势,又拓宽了台阶坝面的消能作用。本文是"X型宽尾墩+台阶坝面+消力池"联合消能工在索风营水电站应用的水力特性研究成果的一部分。

台阶式溢洪道滑行水流水面线和消能效果的试验研究

通过模型试验研究了台阶式溢洪道滑行水流的流态、水面线和消能效果.试验得出,台阶式溢洪道的水流流态分为台阶内部的旋滚流态和虚拟底板以上主流区的流态.台阶式溢洪道水面线的变化与来流量、台阶尺寸和掺气浓度有关.当水流进入台阶段时,水面由于失重有一定的降低,然后逐渐抬高至某一高度后再略有降低;在掺气发生点以前,水面线沿程降低,掺气发生点以后,水面线沿程升高;当水流掺气饱和时,水深沿程不再变化,为明渠均匀流.台阶式溢洪道的消能率是逐级台阶的累积效应.水流通过与台阶之间的碰撞、台阶上的水流漩滚以及水流内部的紊动剪切强化了溢洪道的消能效果.在试验范围内,台阶式溢洪道与光滑溢洪道比较,消能率可以提高40%～70%.通过试验,得出了台阶式溢洪道滑行水流水面线和消能率的计算方法.

水东水电站新型消能工结构优化设计

水东水电站为整体式碾压混凝土重力坝，采用宽尾墩－阶梯式坝面－戽池联合消能形式。在新型消能工结构设计方面，用混凝土预制块作为溢流面曲面和阶梯面的结构，用不衬砌和钢筋网喷射混凝土结构代替消力戽池底板和边墙的钢筋混凝土衬砌。工程在运行期经历了近百年一遇的洪水考验，证明了新型消能工结构的优化设计是成功的。

台山核电厂淡水水源工程水库溢流坝消能试验研究

以台山核电厂淡水水源工程为例,通过水力模型试验研究,推荐溢流坝采用宽尾墩+坝面削角阶梯+底流消力池的联合消能方案。试验结果表明,该方案消能效果较显著、工程量小,优化了溢流坝工程布置和体型。

水石门水电站溢流表孔挑流消能数值模拟

为研究水石门水电站溢流堰挑流消能问题,采用有限体积法,利用VOF追踪自由液面和RNGκ-ε紊流模型建立了溢流堰挑流消能的三维数值模型,经与模型试验结果验证,吻合较好。根据工程实际情况,拟定了多种优化消能方案并进行了数值模拟计算。结果表明,在原方案基础上适当增大挑流反弧半径,优化鼻坎挑角能分散水舌入水冲击能量,改善泄流消能作用,从而有效降低下游河床的冲刷。

阶梯溢流坝水流数值模拟及消能分析

利用k-ε紊流模型模拟了带有曲线自由表面的阶梯溢流坝和非阶梯溢流坝的紊流流场,采用流体体积分数法(VOF法)来确定自由表面。通过数值模拟,得到了2种溢流坝水流的较为合理的速度场,比较了二者的消能效果。模拟结果表明,阶梯溢流坝消能效果更好,阶梯溢流坝的消能率比非阶梯溢流坝的消能率高约17%。

台阶式溢洪道水力特性计算方法分析

提出单纯台阶式溢洪道的水力设计方法。对比分析了台阶式溢洪道的水流流态、自掺气发生点以及消能效果,推荐Yasuda公式作为滑行水流和跌落水流界限的判别式,提出了自掺气发生点和消能率的统一计算公式,给出了台阶段水面线的计算方法。所得成果可以作为单纯台阶式溢洪道的工程设计参考。

惠州抽水蓄能电站上库溢流坝阶梯消能试验研究

介绍惠州抽水蓄能电站工程概况,建议将上库溢流坝挑流消能改为底流消能方式。通过水力模型试验研究,推荐溢流坝采用“坝面削角阶梯+底流消力池”的联合消能方案。试验表明,削角阶梯坝面末端泄流的动能只占相应光滑坝面动能的30％以下,相应动能消能率达70％以上,消能效果较显著,大幅度减小了溢流坝下游消力池的尺寸和工程量。

阳江抽水蓄能电站上库溢流坝消能试验研究

针对阳江抽水蓄能电站上库溢流坝具有高水头、坝址河床狭窄、坡度陡峭等特点,通过水力模型试验研究优化了溢流坝及其消能工体型,解决了溢流坝的消能问题。试验表明:①溢流坝采用“坝面削角阶梯+底流消力池”的联合消能方案后,增大了溢流坝面水流的消能率,解决了溢流坝泄流与下游消力池衔接的问题;②消力池内设置T型消力墩,缩短了水跃长度和池长;③消力池下游采用阶梯状的二道坝与下游河床连接,减轻了泄流对下游河床的冲刷。

治沟骨干工程台阶式泄水建筑物的消能防冲研究

进行了可用于治沟骨干坝的3种不同坡度的台阶式泄水建筑物的模型试验。结果表明,在跌落水流时,消力池跃前断面单位能量随斜坡变陡和相对坝高Hdam/yc增加而增大,但当Hdam/yc增加到某一值后,逐渐趋于平缓。消力池跃前断面底部压力yp与堰上临界水深yc呈现正比线性相关,yp大小与台阶个数N无关。比较跃前断面压力修正系数λ>1和λ=1时的消能率,当Hdam/yc=10左右时,其消能率相对误差可达7%左右,但当Hdam/yc≥70时,其相对误差则降至1%。试验结果也同时显示出λ与yp/y1同样有着很好的线性关系,其相关系数r=0.99999。

大朝山水电站RCC溢流坝宽尾墩、台阶式坝面联合消能工的研究及应用

宽尾墩,台阶式坝面消能工,是通过宽尾墩后水流的突扩和台阶坝面的连续跌坎,为掠过台阶坝面的水舌下缘提供侧部(坝面无水区)通气条件。原型观测证明沿台阶处形成高掺气浓度的水气混合流,加之台阶对水流流速的消减作用,使台阶免遭空蚀破坏。本研究结合大朝山水电站的建设,从设计优化构想、开展了系统的试验研究,并把设计研究成果应用于大坝的设计和施工,取得了原型观测成果,提供了百米级以上高坝、大单宽流量RCC坝的新的成功实例。

莫湖水电站泄洪闸低溢流堰面流消能试验研究

在综合莫湖水电站泄洪闸面流消能试验成果的基础上,分析泄洪闸低溢流堰鼻坎挑角对面流消能特性的影响。试验表明低溢流堰鼻坎挑角由10°增加到15°时,其由淹没面流转向潜流(或回复底流)的区界水深相应增大,扩大了低溢流堰面流运行的区间,有利于工程安全运行。

功果桥水电站泄洪消能建筑物设计

功果桥水电站采用坝身表孔和底孔联合泄洪方式。表孔采用X形宽尾墩+台阶式溢流坝面+戽式消力池联合消能工,底孔采用贴角导向挑流鼻坎消能工,该消能工既能高效解决泄洪消能问题、减轻泄洪雾化对边坡稳定的影响,又能较好地适应碾压混凝土分层、通仓、快速浇筑的特点,对加快碾压混凝土施工、节省工程量和提高工程效益具有积极意义。

台阶式溢流坝的消能设计与试验

由于台阶式溢流坝坝面台阶的存在,使下泄水流在台阶之间形成横轴旋滚,并与坝面主流发生强烈掺气作用,使水流紊动加剧、掺气增强,大大减少了下泄水流的能量,改善了坝址处的水利条件,使坝下游的消能设施得已简化。结合光明水电站水工模型试验,对消能率进行了研究,结果表明:影响台阶坝面消能率的主要因素为台阶坝高、台阶的突出高度、台阶坝的坡度和单宽流量。同时推导出消能率的计算公式。该公式可为相关设计提供参考。

TKS水电站工程溢流表孔泄洪消能研究

针对TKS水电站溢流表孔泄洪时回流较大、下游河床及岸坡岩体抗冲能力小、冲刷严重时易于危及坝趾安全而增大了消能难度的问题,对水电站挑流、护底护坡导墙防护、宽尾墩、宽尾墩+消力坎、消力坎等进行了几十组水工模型试验,最终优化为连续式消力坎和二级消力池后带突扩的底流式消能方案,效果良好。

百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计与研究

介绍百色水利枢纽RCC主坝表孔宽尾墩联合消能工设计、试验研究成果。该工程泄洪流量大、下泄功率高、河床水深偏浅且地质条件较差,通过研究,确定采用"表孔宽尾墩+中孔跌流+底流式消力池"新型联合消能工,溢流面设置掺气坎,减轻溢流坝面气蚀破坏,消力池底板厚5～8m,附加底板锚筋,满足安全需要。

阶梯溢流坝面坡度对一体化消能工水力特性的影响

为探求高水头、大单宽流量下坝面坡度对一体化消能工水力特性的影响,以阿海水电站为原型,采用三维k-ε双方程紊流模型,引入水气两相流VOF计算方法,利用几何重建格式来迭代生成自由水面,对1∶0.80、1∶0.75、1∶0.65三种阶梯面坡比进行数值模拟研究。结果表明:①最大负压值均位于首级阶梯立面凸角下1/4附近,并随坡度增加而增大。坡度为56.98°时,最大负压值为61.02 kPa,超过了6×9.81 kPa。②水流空化数在宽尾墩水舌出口位置出现最小值,空化数随坡度变陡而减小。坡度为56.98°时,空化数最小为0.358。坡度为51.34°时,空化数最大,为0.381。③随着阶梯溢流坝坝面坡度变缓,消力池最大临底流速增大。当坡度为51.34°时,消力池最大临底流速最大,达到26.84 m/s,超过了25 m/s,易发生冲磨破坏。当坡度为56.98°时,消力池最大临底流速最小,为24.00 m/s。消力池尾坎前最大临底流速随坡度增加而减小,坡度为56.98°时最小,为9.63 m/s;坡度为51.34°时,消力池尾坎前最大临底流速最大,为9.96 m/s。④坡度的变化对一体化消能工消能率的影响不大,坡度从51.34°增加到56.98°,消能率只提升0.15%。

台阶式溢洪道水力特性数值研究

为研究台阶式溢洪道的水力特性,结合某水库实际工程,采用标准k-ε紊流模型模拟溢洪道水流流场,并利用流体体积分数法(VOF)来追踪自由水面,复杂边界形状采用非结构网格进行处理的方法对台阶式溢洪道流场和光滑溢洪道流场进行了模拟。结果表明:数值模拟能够得到较为合理的自由水面和速度场,台阶式溢洪道自由水面高于光滑溢洪道,水流流速则低于光滑溢洪道,且台阶内部存在漩涡。台阶式溢洪道消能率远远大于光滑溢洪道,可见台阶式溢洪道消能效果十分显著。