X型和Y型宽尾墩水力特性对比研究

为了探求X型宽尾墩与常规Y型宽尾墩水力特性的差别,采用RNGk-ε双方程紊流模型对两种型式的宽尾墩的三维流场特性进行数值计算,模拟结果与试验数据吻合良好,说明模型选用及网格划分合理。比较分析两种墩型水流流动特征、宽尾墩体和下游溢流坝面的压力分布以及闸室出口流速分布发现X型宽尾墩不但具有常规Y型宽尾墩分散水流、增加掺气量和提高消能效率等优点,而且在小流量时可增大泄流能力,特别是在与台阶式坝面联合运行时,还可改善坝面压力分布;其缺点是X型宽尾墩出口处局部出现负压,设计时应给予注意。     

X、Y型宽尾墩水力特性研究

基于重力坝表孔泄洪的水工模型试验,研究了X型宽尾墩和Y型宽尾墩的泄洪流态、底表层流速、压力以及消能率。在不同泄流量以及闸门开度和下游水深的条件下,对不同体型宽尾墩的水力特性进行比较分析。试验结果表明：X型宽尾墩的最大临底流速比Y型宽尾墩小6.9%,X型宽尾墩的最大表层流速比Y型宽尾墩大8.12%,X型宽尾墩的消力池底板最大压力比Y型宽尾墩大43%,Y型宽尾墩的消能效果稍好于X型宽尾墩。     

东庄水利枢纽表孔宽尾墩水力特性研究

为了验证东庄水利枢纽表孔宽尾墩初设方案的泄洪消能特性,在水工模型试验的基础上,采用三维水流的RNG k-ε紊流双方程数值模型、自由面的VOF处理法来模拟表孔宽尾墩水流特性。根据东庄水利枢纽的初设方案,计算了宽尾墩的泄流能力、流道内的水面线以及水舌的纵向扩散长度和水垫塘的时均冲击压力,并将相应的试验值与计算值相结合进行了对比分析,发现两者吻合度较高。对比结果表明:2#表孔出口俯角偏小,在高水位时泄流能力受到宽尾墩的影响低于设计值,各工况下ΔPmax均小于15×9.81 k Pa的防护标准,初设方案收缩比偏大、墩尾折角偏小,水舌纵向扩散效果不明显,无法实现表深孔无碰撞消能的效果。     

X型宽尾墩水气两相流场的数值模拟

采用VOF方法和RNGk-ε模型对X型宽尾墩三维紊流流场进行了数值模拟,利用隐式解法提高了计算速度,捕捉到了水气两相流场并完成了对流场紊流特征的正确模拟.模拟结果表明:该模拟与实测结果吻合良好,说明采用的数值模拟技术对于自由水面的模拟能力可以满足工程实践的需要.     

X型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能的三维流场数值模拟

宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能是一种新型坝面泄流形式的消能工。由于宽尾墩和阶梯的共同作用，其水流表现为很强的三维特性，水气二相混掺剧烈，目前对其流场的三维数值模拟还未见报道，本文采用双方程紊流模型对X型宽尾墩-阶梯溢流坝联合消能的三维流场进行了全场数值模拟，给出了压力特性、流速分布、阶梯及宽尾墩墩后水气两相流的部分特性，计算结果与模型试验数据对比，两者吻合良好，计算发现，在第一级阶梯脱体处存在负压，随后在试验中得到了验证。研究结果表明，采用X型宽尾墩-阶梯溢流坝联合消能，阶梯坝面上能形成明显的纵、横向旋滚，提高了消能效果。     

开口式Y型宽尾墩的体型及消能效果

开口式Y型宽尾墩是在Y型宽尾墩的基础上提出的，是一种新型辅助消能工。依据水工水力学模型，对开口式Y型宽尾墩的体型及消能效果进行了试验。研究证明，该消能工除了具有Y型宽尾墩的水流特点外，还将墩后的无水区利用起来，通过开口形成一道挑射水流，在墩后不远处交汇并横向扩散、掺气入池。经过Y型墩的纵向、竖向拉开扩散，再加上墩后无水区挑射水舌的横向扩散，不仅提高了坝面消能率，而且还将由宽尾墩集中起来的入池能量的一部分分散开来，增大了池内消能效果，减轻了对下游河床的冲刷，同时降低了阐室水面线，加大了闸孔的泄流能力。     

宽尾墩一台阶溢流坝三维数值消能流场模拟

宽尾墩一台阶溢流坝消能工是在安康水电站特定的泄洪消能条件下，经过模型试验研究提出的一种先进的消能技术。采用有限体积法离散求解，辅以Realizable κ-ε湍流模型，引入水气两相流的VOF模型，利用几何重建格式非恒定流迭代求解生成自由水面，对几何体型采用结构化和非结构化的网格相结合进行处理，从库区到消力池进行了水气两相流数值模拟。     

宽尾墩-台阶溢流坝三维数值消能流场模拟

宽尾墩-台阶溢流坝消能工是在安康水电站特定的泄洪消能条件下,经过模型试验研究提出的一种先进的消能技术.采用有限体积法离散求解,辅以Realizable κ-ε湍流模型,引入水气两相流的VOF模型,利用几何重建格式非恒定流迭代求解生成自由水面,对几何体型采用结构化和非结构化的网格相结合进行处理,从库区到消力池进行了水气两相流数值模拟.     

宽尾墩与戽流联合消能水力特性研究

通过试验研究了戽流与宽尾墩联合应用的水力特性,得出了设置宽尾墩后第一界限水深和第二界限水深的计算方法.试验结果表明,采用宽尾墩与戽流联合消能,使消能率提高了6%左右.     

宽尾墩与戽流联合消能水力特性研究

通过试验研究了戽流与宽尾墩联合应用的水力特性,得出了设置宽尾墩后第一界限水深和第二界限水深的计算方法.试验结果表明,采用宽尾墩与库流联合消能,使消能率提高了6%左右.     

宽尾墩三元水跃特性试验研究

通过传统二元水跃与宽尾墩三元水跃形成及发展机理的类比,借助水工模型试验,对宽尾墩三元水跃特征跃高Ht、特征跃长Lt与来流流能比K之间的关系进行了研究。研究结果表明:微淹没临界状态下的宽尾墩三元水跃特征跃长Lt与跃高Ht均可回归为流能比的一次线性函数,流能比较小时,三元水跃跃高比二元水跃略低一些,随着流能比的增加,两种水跃跃高趋于相同;宽尾墩三元水跃跃长比二元水跃减小约50%,随着流能比的增加,减小幅度还会有所增加。利用经验式对已建或在建工程消力池体型参数进行了计算分析,结果表明,采用宽尾墩消能工可显著缩短消力池长度,戽式消力池可缩短的更多。     

宽尾墩三元水跃特性试验研究

通过传统二元水跃与宽尾墩三元水跃形成及发展机理的类比,借助水工水力学模型试验,对宽尾墩三元水跃特征跃高Ht、特征跃长Lt与来流流能比K之间的关系进行了研究,研究结果表明：微淹没临界状态下的宽尾墩三元水跃特征跃长与跃高均可回归为流能比的一次线性函数,流能比较小时,三元水跃跃高比二元水跃略低一些,随着流能比的增加,两种水跃跃高趋于相同;宽尾墩三元水跃跃长比二元水跃减小约50%,随着流能比的增加,减小幅度还会有所增加。利用经验式对已建或在建工程消力池体型参数进行了计算分析,分析结果表明,普通消力池长度与设计工况下的三元水跃跃长比较接近,而戽式消力池长度约为计算跃长的0.2～0.5倍,下游河道跃后水深比随着流能比的增加呈现减小趋势。     

X型宽尾墩的动水荷载特性及体型优选研究

利用BP人工神经网络的非线性映射功能,结合水槽中两种主要消能形式的模型试验,以流场中作用在板块上表面实测脉动压力为变量,构建了一个简单的上举力预测系统.经过实测资料验证,该系统预测效果较好.本文的研究成果对消力池安全实时监测具有一定的意义.     

与宽尾墩联合使用的阶梯溢流面水流掺气问题研究

通过模型试验、原体观测资料的分析发现,与宽尾墩联合使用的阶梯式消能工,为了满足溢流面水流掺气减蚀的要求,须使阶梯溢流面在初始段6～8个台阶形成空腔溢流,而阶梯堰面形成空腔溢流与阶梯起始断面的掺气坎型、坎高及宽尾墩型式有关。台阶高度对阶梯溢流面大单宽过流掺气浓度沿程变化影响很小,掺气浓发随阶梯溢流面坡比的变化比较明显,坡度越缓,沿程衰减越明显;掺气浓度随堰上水头的增加而增大;堰面使用Y型宽尾墩掺气量最大,无墩时最小,使用X墩时,处于二者之问。与宽尾墩联合使用的阶梯溢流面大单宽过流掺气量可以满足减蚀需要,而无     

掺气分流墩设施水力特性的试验研究

掺气分流墩设施是设在陡坡急流中的大型分流墩。该分流墩将贴壁急流转变成为充分扩散、四面临空、剧烈紊动、充分掺气的水流。水舌在空中碰撞、混掺、碎烈、水滴化,大大增加了水流与空气的接触面。水流进入消力池时,入池单宽流量减小;消力池水流流态受下游水深控制,可以分为四种流态。该设施的最优收缩比范围为0.5~0.7。墩头脉动壁压满足重力相似,优势频率不满足重力相似且fr =1 ,墩头脉动壁压优势频率在 0.1~0.388Hz之间,远小于墩头自振频率。掺气分流墩属超空化体型,不会发生空蚀破坏。掺气分流墩设施的水舌掺气核心区长度仅为普通二元水舌核心区长度的 1/5~1/2,最小平均含水率仅为普通二元水舌的 14%,当S/h >20时,βsm 逐渐趋于0.1,已为水滴化状态。消力池掺气充分。当λ=0.5 时,消力池底板压强系数减少了约30%。与普通二元水舌消力池比较,水跃长度可缩短1/3,跃后水深可降低1/5,消能率提高了(6~16)%。     

宽尾墩与台阶坝面联合消能工的试验探索

通过对宽尾墩与台阶坝面联合消能工的机理分析,借助工程水力学模型试验,提出一种新型宽尾墩———X型宽尾墩。这种宽尾墩能适应大小流量的变化,具有良好的消能效果,消能率达60%～70%,比常规宽尾墩消能率高5%～10%;产生的射流对消力池底板的最大冲击压力,比常规宽尾墩小30%。因此,X型宽尾墩具有广阔的应用前景。     

阶梯溢流坝和宽尾墩及消力池组合消能的水流数值模拟研究

采用两相流模型,辅以Realizable k湍流模型,来模拟阶梯溢流坝和消力池组合以及阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合两种联合消能工的水力特性,获得了流速场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率等物理参量的分布。网格划分采用了分区域划分:模型中任何形状不规则的复杂部分采用非结构网格划分,对形状规则的部分则采用了结构网格划分,并根据流动梯度的大小安排网格的疏密程度。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用了VOF法处理自由水面,使用PISO算法求解速度与压力的耦连方程组。比较分析了两种消能工在速度场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率的差异。研究结果表明:受宽尾墩的影响,坝面及消力池中的流速均小于无宽尾墩的情况,而台阶坝面的压强明显高于无宽尾墩的情况;在消力池中紊动动能及其耗散率均大于无宽尾墩的情况。可见,阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合消能工的消能优于无宽尾墩的情况。