梯形断面消力池扩散型消能计算

针对目前NB/T 35023—2014《水闸设计规范》只涉及矩形断面消力池,未涉及梯形断面消力池消能计算的问题,基于水力学基本理论和数值分析理论对梯形断面消力池消能计算进行研究,推导了梯形断面收缩水深的解析计算式以及梯形断面消力池扩散型消能跃后共轭水深基本方程,并利用高次方程求解理论分别给出棱柱体梯形断面跃后共轭水深的解析计算式和扩散型消能跃后共轭水深的简易迭代求解公式,并根据消能计算方程,给出梯形断面消力池扩散型消力池池深、池长的计算式。工程实例计算结果表明,所提出计算式精度可靠。     

复式梯形断面临界水深计算公式

 梯形明渠临界水深实质上是求解含一个参数的一元六次方程,理论上无解析解,现已有简捷、准确、通用的直接计算方法;复式梯形断面明渠临界水深实质上是求解含两个参数的一元六次方程,理论上更无解析解。在梯形断面临界水深研究的基础上,经过数学变换,并应用迭代理论,提出了复式梯形断面明渠临界水深的简捷、准确、通用的直接计算公式,最大误差为1.49%,能满足生产实践的需要。     

论梯形明渠临界水深的精确计算公式

梯形明渠临界水深的求解过程是求解一个单变量超越方程的过程,理论上无解析解。通过引入无量纲参数--单位水面宽度,对梯形明渠临界水深的基本公式进行恒等变形,得到计算梯形明渠临界水深的迭代公式,再与合理的迭代初值配合使用。推导出4套梯形断面临界水深的直接计算公式,其中2套计算公式印证了前人的成果,并为前人的公式推导提供了简捷、充分的理论依据。通过对多家公式形式的表述和比较,并根据精度1%和1‰的不同要求进行误差分析,结果表明：4套直接计算公式理论性强,形式简单,适用范围广,计算精度高,值得推广。     

柱体渠槽水流收缩水深与共轭水深综合解析计算

明渠稳定变速流由急流到缓流的转变常发生水跃联接形式。为确定水流流态,判断衔接形式,绘制水面曲线及进行消能计算,均涉及到计算收缩水深及与其相应的共轭水深。上述问题因数学解甚为复杂而求助于试算,为简化计算,许多人致力于图表求解的研究。对于矩形、梯形渠槽收缩水深与共轭水深已有不同的解算方法。本文从基本能量方程与动量方程出发,推导了七种规则断面柱体渠槽水流收缩水深及共轭水深的综合解析计算公式并给出了计算图表,供设计使用。     

高坝消力戽消能跃后共轭水深的计算

针对现有高坝消力戽消能计算十分繁琐的问题,考虑底挑圆弧离心力对收缩水深的影响,基于无量纲化理论、水力学基本理论和数学理论推导,给出了高坝消力戽消能计算基本方程。利用一元三次方程的卡当公式解分别给出了坎底收缩水深和跃后共轭水深的解析计算公式,并采用MatLab计算软件对跃后共轭水深与无量纲单宽流量、无量纲总水头以及消力戽底坎挑角的影响关系进行了计算研究。最后通过工程实例计算比较,认为推导的坎底收缩水深和跃后共轭水深计算式精度可靠,方便快捷,便于工程实际应用。     

弧底梯形明渠临界水深的简化计算法

弧底梯形断面明渠临界水深计算需完成高次方程求解,无法直接获得。针对目前传统算法及近似算法存在的计算繁琐、成果精度不高,利用微机编程获解又不便于基层工程技术人员应用等问题,通过对弧底梯形断面明渠临界水深计算公式的数学变换,采用优化拟合的方法,以标准剩余差最小为目标函数,在工程实用范围内,经逐次逼近拟合获得了计算简捷、成果精度满足工程设计要求的简化计算公式,具有一定的实际推广意义。     

明渠梯形断面消力池池深和尾坎高度的计算方法

为研究明渠梯形断面消力池池深和尾坎高度的计算方法,依据前人对梯形断面消力池水跃共轭水深、梯形断面量水堰(槛)的研究成果,采用能量方程研究梯形断面挖深式消力池、消力坎式消力池和综合式消力池深度和坎高的计算方法。给出了梯形断面消力池池深、尾坎高度的计算公式,通过算例说明了计算过程。提出的消力池深度、坎高的计算公式可以作为梯形断面消力池设计的参考。     

弧底梯形明渠水力最佳断面设计

通过数学推导 ,建立了弧底梯形明渠水力最佳断面水深、过水断面面积、水力半径等所有几何要素与水力要素的计算公式 ,并通过算例详细说明其水力计算方法 ,为该类型渠道的断面设计提供了理论依据     

梯形明渠收缩水深直接计算公式

通过对梯形渠道收缩断面能量方程的恒等变形,得到计算收缩水深的直接计算公式.该公式简捷、不依赖图表,在工程实用范围内精度能够满足要求.     

梯形渠道横断面设计简捷算法

推导出用普通计算器计算梯形渠道断面水深和底宽的简捷算法，介绍了计算步骤和条例。     

波状床面消力池水跃特性试验分析

研究波状床面水跃共轭水深和水跃长度对于波状床面消力池的设计极为重要。根据已有文献关于波状床面消力池水跃特性的试验资料,分析波状床面消力池共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度和水跃区消能率随跃前断面弗劳德数、壁面粗糙高度、跃前断面和跃后断面水深的变化规律。给出了波状床面水跃跃后水深的半理论公式和水跃旋滚长度、水跃长度的拟合公式,并对其进行验证,水跃共轭水深的平均误差分别为4.5%和3.3%,水跃旋滚长度和水跃长度的平均误差分别为7.4%和5.9%。研究表明,水跃跃后水深和水跃长度不仅是跃前断面弗劳德数的函数,还是壁面粗糙高度的函数;波状床面消力池水跃区消能率远大于一般混凝土壁面消能率,在相同弗劳德数情况下水跃区消能率随着壁面粗糙高度的增加而增加。     

综合式消力池坎高与池深组合消能计算方法

现有底流消能计算中,综合式消力池坎高与池深组合计算的传统试算法十分繁琐,特别是坎上淹没系数计算需多次反复查表试算。为解决这一问题,通过无量纲原理、数学推导及MatLab软件数值分析,给出了坎上淹没系数简洁的高精度解析计算式,并通过对比分析得到该解析计算式最大相对误差仅为0.405%;同时还给出了跃后共轭水深的高精度解析计算式。在考虑消力池深与消力坎的组合消能影响下,给出简洁的无量纲消力坎坎高的解析计算式,并通过MatLab软件给出了无量纲坎高随无量纲单宽流量、下游水深以及消力池池深之间的二维曲面关系图,依据大量数值计算成果,给出了最不利消能工况下的坎高极值计算式。最后通过2个实例计算对比,可见所提出的简洁算法精度高且方便快捷,为工程实际设计提供了参考。     

超低弗劳德数闸下消能试验

低弗劳德数、低水头、低尾水的闸下消能消力池内不能产生稳定充分水跃,池内壅起的水流出池后会产生二次跌落,对下游河床冲刷严重。针对芦潮港水闸工程,通过物理模型试验提出了一种新型辅助消能工,即在池后海漫设置梅花形布置墩群,可使下泄水流达到充分消能、均匀扩散的效果,并分析了墩群的消能机理。实践表明,这种新型的消能布置方案可以有效地解决超低弗劳德数底流水跃消能不充分的问题,可供类似工程参考。     

导流墙对闸后三元水流特性的影响

为避免或减轻多孔水闸少数孔开启时产生的突扩式三元水跃及次生二次水跃对闸后防冲设施及河道的冲刷破坏,针对平板闸门单孔开启和连续3孔开启情况,在消力池中分别设置4种不同长度导流墙,通过物理模型试验和三维数值模拟研究了相应水跃特性及流速、流态特征。模型比尺采用1:100,数值模拟采用RNG k-ε紊流模型和VOF方法。结果表明:在连续3孔闸门开启,闸门开度为1 m的试验条件下,导流墙长度为消力池长度的50%, 60%, 75%和100%时与未加导流墙情况相比,跃后水深分别降低了4.16%, 1.66%, 1.94%和2.22%;二次水跃距离分别缩短了17.14%, 14.29%, 2.86%和1.43%。导流墙长度为消力池长度的50%时跃后水深与二次水跃距离降幅最大,海漫上流速分布更加均匀。试验结果可为闸下消能设计和工程运行管理应用提供借鉴和参考。     

水闸消能效果分析研究

水闸消能一般采用底流式(水跃)消能,但它往往又是在低水头情况下泄流,佛汝德数低,水闸消能效果较差。为了提高水闸的消能率,采取了有效的工程措施,即在普通消力池的基础上增加了辅助消能工以及修建复式消力池等工程措施。通过分析研究可知,水闸的消能效果有了明显的提高,尤其是复式消力池消能率较高,能起到良好的消能效果。     

水闸底流消能计算公式的分析与改进

以上海市东风西沙水库下游水闸消能设计为例,对水闸消能计算中遇到的问题加以分析后发现,在上游水位不变、过闸单宽流量不变、下游水深较小的情况下,下游水深越小,采用《水闸设计规范》(SL265—2001)中的消能计算公式计算得到的消力池深度反而越小,这与实际情况有较大的出入。通过理论推算,对原计算公式进行了修正,并采用修正后的计算公式进行了消能计算,计算结果与实际情况相符。     

除险加固水闸的消能防冲措施

基于某除险加固工程水力学模型试验,通过对闸下水流流态、流速分布、特征断面垂向最大平均流速以及冲刷特性的观测,分析了设计方案条件闸下水流流态恶化及冲刷严重的原因,即下游翼墙加固改变了水流的边界条件,导致出闸水流受到边界挤压而主流集中,局部流速增大,冲刷加剧。通过不同消能防冲方案的试验比较,提出了利用分隔墩消除出闸水流集中的现象;分隔墩消除了主流受边界挤压现象,起到了改善闸下水流流态,均化闸下水流流速分布,降低河床最大流速,减轻闸下冲刷的作用,且体型结构简单,易于施工。     

大潮差河口闸下水流的流动特性分析

福建数座河口水闸发生剧烈淘刷,闸上游和下游的最大冲刷深度达到闸室高度的0.5~1.2倍,且屡修屡毁。有的水闸经多次除险加固后,不得不再花巨资重建。通过数学模型和物理模型揭示了河口水闸下游水位因受东海大潮差海潮影响发生剧烈波动时的变化规律,发现了水闸泄流过程中的间歇性淹没及非常工况甚至出现逆流的独特流动现象,给出了典型日孔流及堰流泄流能力动态变化过程线,分析了消能工变化对闸址水流结构的显著影响,并对水闸水毁修复前后闸下冲刷进行了预测。结果表明:水闸修复前闸下涨急最高水位4.53 m,修复后下降0.67 m,水闸修复后逆流现象减弱。修复后首次水跃位置往上游移动了35 m,平均水跃高度下降47.46%,闸后及二级池末端最大流速2.27 m/s和0.08 m/s,较修复前分别下降了40.58%和96.48%。常遇泄流条件下,水闸的淹没度和泄流能力呈现不断变化的动态过程。当西溪水闸62#先启孔全开,上游保持正常高水位3.2 m,下游为最低潮位-0.72 m时,修复后最大冲刷深度减少64.48%,消能防冲效果十分明显。研究成果对河口水闸安全运行具有一定的参考价值。     

下游水位下降对白石窑水利枢纽泄洪消能影响试验研究

针对白石窑水利枢纽下游水位降低可能影响水闸泄洪消能的问题,分下游河床下切前、后两种情况,选取典型工况进行了断面模型试验研究。试验表明,枢纽下游水位降低基本不会改变水闸下泄水流原有消能流态,下泄水流的主要消能条件变化不明显。但局开控泄、电站甩负荷工况及流量低于500m3/s时,下游水位下降导致下游河床流速增加且水深较小,可能对河床造成冲刷,建议适当增加开启孔数,减小下泄单宽流量,确保泄洪安全。