狭窄河道小交角溢洪道燕尾坎挑流消能研究

狭窄河道小交角溢洪道挑流空间有限,流量变化大时挑流落点不稳定。为研究这种特殊地形下燕尾挑坎消能效果,依托某实际工程,采用数值模拟的方法拟定多种燕尾挑坎方案,研究了在狭窄河道小交角溢洪道条件下燕尾桃坎的消能效果。结果表明,方案2消能效果最优,当开口与燕尾宽度比为1且开口与溢洪道宽度比为0.5时水舌掺气效果最好,水流入水前能削减更大流速,在满足起挑前提下增大跌坎角度有利于水舌纵向拉伸,提高消能利用空间。最后复核了该方案在不同梯级流量时的消能冲刷情况,发现方案2挑坎在小流量和大流量泄洪时水舌落点依然稳定,冲坑对建筑物不构成安全威胁。

某水电站溢洪道挑流鼻坎体型研究

某水电站位于高山峡谷区,泄水建筑物布置在右岸,溢洪道出口下游河道十分狭窄,出口消能设计应充分考虑对下游岸坡的影响,避免顶冲对岸,因此需对挑流鼻坎体型进行重点研究。通过水工模型试验,结合工程特点,对不同体型的挑坎进行分析,最终推荐四窄缝差动挑坎体型。结果表明,四窄缝差动挑坎在各工况下流态较好,水舌纵向拉开且落点处于河道中间位置,对两岸边坡影响较小,可满足工程安全运行要求。研究成果可为狭窄河床的溢洪道消能设计提供借鉴。

泄洪洞挑流鼻坎体型优化及下游冲刷试验

某水电站泄洪放空洞与下游河道斜交,挑流鼻坎与所在位置河道右岸边坡距离较近,采用常规正向挑流鼻坎,会出现小流量跌流,大流量冲砸本岸,危害鼻坎基础及右岸边坡稳定。基于此,通过建立比尺为1∶35的水工模型,研究适用于泄洪放空洞与河道斜交且泄洪口靠近右岸边坡布置的新型挑流鼻坎结构。试验结果表明:斜鼻坎对解决右岸边坡淘刷严重的问题效果更佳,不管是常遇洪水还是小频率洪水情况,斜鼻坎右侧弧墙将水流翻卷后导向河床中间,竖向大幅拉伸,水舌落点远离右岸岸坡,有利于下游河道消能防冲。该研究可对实际水利工程中相似地形的鼻坎体型提供借鉴。

陡窄河谷挑流消能下游边坡防冲试验研究

基于拉哇水电站溢洪洞采用挑流消能,对陡窄河谷下游边坡冲刷问题进行了试验研究。通过可视定床模型,对边坡水力学参数进行分析,并与边坡动床试验进行了对比。试验成果表明:扭曲挑坎的水流流态、岸边流速以及脉动压力等指标均优于斜切挑坎,岸边最大压力点高程与基岩抗冲流速等值线最低点高程相近;采用散粒体模拟陡峻边坡,边坡冲刷形态与定床岸边流速规律呈现较好的相关性,能较好地反映陡峻基岩边坡受水流冲刷作用的破坏范围。研究成果对类似工程的岸坡支护分区划分、防护深度确定和支护结构型式的设计具有一定的借鉴意义。

燕尾坎在忠玉水电站高拱坝表孔上应用研究

为了探究燕尾坎是否可应用于高拱坝表孔,采用1∶80整体水工模型和三维湍流数值计算方法对燕尾坎在忠玉水电站高拱坝表孔上的适用性问题开展了研究,获得了典型工况下燕尾坎挑流水舌形态,并对比了常规连续挑坎与燕尾坎挑坎内的水流形态和流速分布。来流条件相同时,下泄水流经过燕尾坎镂空开口时,在重力作用下铅直方向流速变大。燕尾坎挑坎出口断面水平方向流速值略小于常规挑坎,但铅直向下流速值是常规挑坎的3—5倍。水舌的最近挑距大幅减小,最远挑距略有减小,纵向长度变大,从而形成纵向拉伸水舌。忠玉水电站拱坝表孔采用燕尾坎挑流,可在纵向拉长水舌,避免集中入水;通过调整开口范围和宽度做到下泄流量沿入水范围均匀分布,从而大幅降低水垫塘冲击压强。

泄洪放空洞挑流鼻坎水力特性研究

针对某水电站泄洪放空洞,提出了两种挑流鼻坎体型,通过泄洪放空洞单体水工模型对圆弧斜切挑坎和新型上下复合挑坎进行试验研究。对比分析了两种挑坎体型的水舌形态、挑距及下游冲坑深度等参数。试验发现,新型挑坎将水流分为两股,形成上下两层平行的水舌,呈抛物线型前后跌入河道,两层水舌的宽度控制在河道范围内。挑出的水舌流态稳定,在空间和平面上得到了充分扩散。相较于圆弧斜切挑坎,水舌的扩散范围从偏河道左侧回归到河道中间,一定程度上减小了下游河床的冲坑深度、岸边的涌波高度及冲刷流速。运用Ansys Fluent软件对设计的新型挑坎进行数值模拟计算,得到各工况下挑流水舌形态、水舌挑距、湍动能及湍动能耗散率。对比分析数值计算和模型试验结果,二者流态一致,水舌的挑距和宽度结果基本吻合,说明数值模拟可靠,为挑流消能研究提供了便利和技术支持。

小挑坎对某拟建大型水电站导流洞出口区消能与冲刷改善机理研究

山区河道导流隧洞出口区具有单宽流量大、流速高、河床覆盖层深且抗冲流速小等特点,多数隧洞出口区河床冲刷剧烈,而布置大型消能措施较困难,故提出在隧洞出口布置小挑坎的措施。在物理模型试验观测隧洞出口区水流流态和河床冲刷的基础上,采用数值模拟方法计算导流隧洞出口区水流流场,研究河床冲刷改善的内在机理。结果表明,导流洞出口增设小挑坎后,可增大出洞高速水流的横向扩散和减小单宽流量,增加局部消能率,从而降低河道岸边流速;高流速出洞水体占比明显减少,使高速水流无法直冲右岸滑坡体,减小滑坡体范围流速;出洞水流宽度增加,出洞水流方向变为斜向上出流,减弱对右岸滑坡体的冲击,并且使导流洞出口区及下游河道受到的冲刷明显减弱。研究成果可为工程实践提供参考。

连续坎挑流水舌出射角特性研究

本研究采用基于VOF水气两相流的标准k-ε双方程紊流数学模型对连续坎挑流水舌出射角特性进行了三维数值模拟研究,为计算挑流水舌出射角与挑坎体型角的差值提供理论支撑,从而达到修正工程中挑流水舌实际出射角的目的。基于不同来流条件、挑坎体型尺寸下的系列计算数据分析了来流水深、坎前断面流速、反弧半径以及挑坎挑角对挑流水舌底缘出射角、上缘出射角和出射角断面分布的影响,获得了出射角的变化规律。研究结果表明,挑流水舌出射角沿水深方向逐渐减小,底缘出射角大于上缘出射角但两者均小于挑坎挑角,并揭示了来流弗劳德数、挑坎体型参数对底缘出射角差以及断面平均出射角差的影响规律且建立了相应的计算方法,可为连续坎挑流水舌计算水舌挑距、入水范围提供精确的出射角,有助于挑流消能设计水平的提升。

挑坎体形对泄洪雾化特性的影响研究

随着一大批具有“高水头、大流量、地质条件复杂”特点的重大水利工程建成,泄洪雾化诱发的环境问题日益突出,亟待开展泄洪雾化缓解技术研究。挑坎体形对泄洪雾化具有直接影响,为此应用水工模型试验和数学模型计算相结合的方法,研究了不同挑坎体形对泄洪雾化特性的影响。结果表明,相同条件下,连续坎的水舌风风速值沿下游河道轴线两侧对称并呈单峰分布,窄缝坎和扩散坎的水舌风风速值近似呈对称双峰分布;泄洪降雨分布与挑坎体形密切相关,较连续坎、窄缝坎、扩散坎的溅水量大大增加。因此,在实际工程中可通过合理优化挑坎体形,以达到减轻泄洪雾化的目的。

鼻坎型式对挑流局部冲刷影响的数值模拟

挑流消能为高水头水利枢纽主要泄洪方式,耗散能量的同时会对下游产生剧烈冲刷。为分析冲刷坑形成原因,探究鼻坎型式对于冲刷的影响,针对某一具体工程,采用自编程序以临界起动切应力作为泥沙起动条件进行数值模拟,结果表明:差动式鼻坎挑流水舌集中,单宽流量大,冲刷深度深,河床冲刷严重;舌型鼻坎挑流水舌横向扩散较大,单宽流量小,冲刷深度较浅。将计算结果与物理模型试验结果对照,两者基本吻合。证明通过用户自定义编程方法进行数值模拟能够较为准确的预测冲刷坑范围与深度,合理的鼻坎型式对于削弱下游冲刷效果显著。

挑流鼻坎体型数值模拟优化研究

针对某水库溢洪道挑射水舌过于集中、消能率较低等问题,建立原连续式挑流鼻坎数学模型,通过FLUENT流体计算软件,采用VOF自由追踪液面、RNG k-ε湍流模型进行数值模拟计算,并通过物理模型试验进行验证;在验证通过的基础上,拟定双圆弧差动式挑流鼻坎优化体型。结果表明,优化体型可以分散水舌,避免水流落点过于集中,提高了消能率,可有效降低对下游河床的冲刷。

压坡渐扩式出口泄洪洞水力特性数值计算分析

为研究不同闸门开度及水位工况条件下,压坡渐扩式出口泄洪洞洞身及出口流态,采用RNG k-ε湍流模型对压坡渐扩式出口泄洪洞的水力特性进行数值模拟。结果表明:闸门全开时,泄洪洞全洞范围内均呈有压流状态,流态稳定;闸门非全开且水位较低时,洞内流态不稳定,容易出现明满流交替的运行状态;闸门小开度时,挑流鼻坎抬高了出口水位,受出口挑坎反弧阻滞作用,出口段流速有所减缓,挑距较小,水流易冲击坡脚。故对于压坡渐扩式出口泄洪洞,设计时有必要开展水工模型试验研究。

福建省洋口水库溢洪道模型试验和挑流鼻坎优化研究

为验证福建省洋口水库水工溢洪道设计参数指标及布置的合理性,对该水库的泄流能力、水流流态、消流防冲、冲坑形态、河道冲刷等方面进行模型试验,并对挑流鼻坎体型参数进行优化,增加差动鼻坎,从而减轻下游河床冲刷。结果表明:溢洪道泄流能力达到设计要求,溢洪道流态稳定,鼻坎优化方案明显改善了消能效果,研究成果对类似工程结构设计优化有一定借鉴意义。

高水头大流量泄洪洞挑坎体型优化及下游冲淤研究

针对某水电站泄洪洞出口挑坎水力特性和下游河道冲淤特性进行了试验研究。结合水力参数和下游河道冲淤变化规律的测试,探讨了泄洪洞挑坎原设计方案存在的主要问题。对不同挑坎位置和体型进行了对比试验,分析了各个方案的优缺点,最终提出了水流条件、冲淤特性均较优的椭圆型挑坎。研究成果可为实际工程设计提供试验依据。

翻卷水舌鼻坎挑流的紊流数值模拟

将斜鼻坎与外边墙平面转弯相结合可使挑射水舌在空中横向翻卷,扩散更为显著,同时,水舌中心线与溢洪道中心线形成较大的偏角,文中将此种鼻坎称为翻卷水舌挑流鼻坎.通过翻卷水舌挑流鼻坎的水流属于带有复杂自由表面的紊流流动,本文采用VOF法和七k-ε紊流模型进行模拟,获得了详细的三维水流结构,计算与实测的水面线吻合良好,表明将紊流数学模型用于溢洪道翻卷水舌的数值模拟是合理可行的.

狭窄河道大交角溢洪道挑坎体型优化试验研究

对具有代表性的某狭窄河道水电站大交角溢洪道挑坎的水力特性及出坎水舌对下游河道的冲刷进行试验研究,针对下游河道狭窄这一情况,试验研究了不同挑坎体型下出坎水舌的形态、入水点及对下游河床的冲刷,得出:侧扩斜坎方案能够将水舌在横向充分拉开,减小出口流速,使水舌入水点居于河道中心,从而减轻对河床及对岸岸坡的冲刷.

窄缝式消能工在重力拱坝坝面溢流中的应用

在陕西洋县卡房水利枢纽水工模型试验研究的基础上 ,首次将窄缝挑坎和扩散挑坎进行有机结合 ,运用在重力拱坝坝面溢流的泄洪消能上 ,充分利用了窄缝挑坎的高效消能和对水舌的灵活导向 。

挑坎水舌运动轨迹控导措施研究

依托某工程泄洪洞出口消能工体型优化试验,对常规挑坎、平面扩散型和纵向扩散型消能工(窄缝挑坎)的挑坎水舌特性进行了对比研究,其中重点对窄缝挑坎消能工鼻坎体型对水舌运动轨迹、水舌形态、入水范围的控导作用进行了初步探讨。研究结果表明:通过侧墙非对称偏向、出口局部偏转等措施实现挑坎水舌运动方向的控导效果,适应下游河道边界特殊需要,较好地解决了工程消能难题,可为同类型工程提供参考,但鼻坎体型、尺寸等参数与水舌运动轨迹的定量关系仍有待进一步深入系统研究。

泄洪雾化的粒子系统模拟及三维可视化

本文在泄洪雾化水流基本运动模式控制下,提出了基于粒子系统的泄流运动及雾化降雨的三维模拟与可视化方法,并且基于地理信息系统(GIS)技术建立了坝区地形及建筑物数字模型,实现了泄流水舌挑射运动、沿程掺气扩散、跌水碰溅以及雾化降雨场景的逼真模拟,为工程人员提供了一个可视化的设计与决策环境,并可为进一步研究“虚拟泄洪”提供理论基础。

水布垭工程差动窄缝挑坎型溢洪道水力特性的试验研究

对水布垭水利枢纽工程高水头大流量泄洪条件下,带有弯曲引水渠和差动窄缝挑坎的溢洪道水力特性进行了模型试验研究。观测了引水渠和溢洪道内的水流流速分布和流动形态,分析和评价了斜型差动窄缝挑坎挑流特性,初析了消能效果。