弯曲溢洪道挑流消能试验研究

为避免加剧弯曲溢洪道的不良振动,对弯道水流的挑流消能问题进行研究。通过试验研究的方法,提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型挑流消能工,结合渠底超高法对弯道水流的干扰,使水流在质量力的作用下分流,有效降低和减小了回水的流量范围,增加了挑流水舌的纵向长度。通过对比两种不同凹岸边墙半径的弯曲束窄差动式斜切挑坎和弯曲连续斜切挑坎的回流、挑流和分流等特性,根据水流运动特性和流线的几何关系,提出了一种判断该新型挑坎发生回水的半理论半经验方法。研究发现高坎的收缩程度和凹岸边墙半径是影响分流和回水的主要因素,通过对高坎水流运动特性的分析,拟合流量、凹岸边墙半径与高坎折冲水流出流方向角γ的经验公式,推导了高坎分流临界角度γc的计算表达式,计算结果与试验测量结果吻合良好,可以为弯道水流挑流消能的工程应用和运行提供参考。     

复式挑流鼻坎在亭口水库导流泄洪洞中的应用

单一的、固定的消能模式难以适应亭口水库导流泄洪洞工程实际,根据工程具体特点,提出将基本的消能建筑物形式进行综合应用,以解决枢纽泄洪消能问题。通过鼻坎体型优化调整,得出普通连续型挑流鼻坎底板中部开设分流槽的复式挑流鼻坎,这种消能组合对减小岸边冲刷深度和降低下游淤积高程具有良好的效果,可满足导流泄洪洞永临结合运行的要求。     

挑坎体型对下游雾化影响的试验研究

以解决挑流消能工在泄洪期间为提高消能率而加重下游雾化问题为目标,探究不同体型挑坎的下游雾化特性。通过水力学模型试验,对典型的非对称舌型坎、标准舌型坎、扭面贴坎和连续坎的下游水舌风分布、下游溅水雨强和不同液滴体积分布以及挑流水舌水力特性与冲刷特性进行了研究。研究表明:① 各种工况下,非对称舌型坎、标准舌型坎、扭面贴坎的下游水舌风风速均大于连续坎。② 对于非对称舌型坎,其溢洪道轴线左侧溅水强度大于右侧,其雨强左右两侧峰值差值最大为5.625 g/(m²·min);对于扭面贴坎,其溢洪道轴线右侧溅水强度更大,其雨强左右两侧峰值差值最大为45.125 g/(m²·min)。③ 随着距离水舌入水点长度增大,大粒径水滴数量和体积占比均剧烈下降;连续坎和舌型坎的挑宽均随着角度的增加而增加;冲坑深度随着角度的减小而增大。④ 在挑坎合适边墙侧设置扭面贴角能改善下游雾化危害,同时适当增加挑角可以减弱下游冲刷破坏。     

勉县大沟水库溢洪道消能方式选择

勉县大沟水库是一座以灌溉为主,多功能综合利用的小(2)型水库,结合工程实际对溢洪道消能方式进行探讨。通过对溢洪道消能的几个方案的对比分析,认为挑流消能方案流道短,实体工程少,消能效果好,工程造价低,但须进行多流量计算,应将设计和校核洪水安全送出,使常流量满足安全挑距,贴壁流不会冲蚀鼻坎基础,在不能满足要求时,却不应选用挑流消能,经过计算分析大沟水库溢洪道最终选择底流消力池方案。     

挑坎体型对下游雾化影响的试验研究

以解决挑流消能工在泄洪期间为提高消能率而加重下游雾化问题为目标,探究不同体型挑坎的下游雾化特性。通过水力学模型试验,对典型的非对称舌型坎、标准舌型坎、扭面贴坎和连续坎的下游水舌风分布、下游溅水雨强和不同液滴体积分布以及挑流水舌水力特性与冲刷特性进行了研究。研究表明:①各种工况下,非对称舌型坎、标准舌型坎、扭面贴坎的下游水舌风风速均大于连续坎。②对于非对称舌型坎,其溢洪道轴线左侧溅水强度大于右侧,其雨强左右两侧峰值差值最大为5.625 g/(m 2·min);对于扭面贴坎,其溢洪道轴线右侧溅水强度更大,其雨强左右两侧峰值差值最大为45.125 g/(m 2·min)。③随着距离水舌入水点长度增大,大粒径水滴数量和体积占比均剧烈下降;连续坎和舌型坎的挑宽均随着角度的增加而增加;冲坑深度随着角度的减小而增大。④在挑坎合适边墙侧设置扭面贴角能改善下游雾化危害,同时适当增加挑角可以减弱下游冲刷破坏。     

基于多松弛格子玻尔兹曼的弯道水流三维数值模拟

为研究弯道水流现象并且拓展格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann Method,LBM)在水利工程领域的应用,建立了弯道水流的三维多松弛LBM演进模型,其中包括水流自由表面模拟、弯曲固壁边界处理以及紊流模型耦合求解等关键技术。应用该模型模拟研究了不同流量下U型弯道的水流状态,得到了水位、最大水深平均流速以及紊动能等参数的分布规律。分析和实践表明,该模型能较好地模拟三维弯道水流现象。     

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。     

掺气减蚀设施体型优化研究

建立了计算掺气设施水力特性的数学模型和挑坎掺气槽坎高的优化目标函数,对原型掺气槽的体型优化进行了研究.研究表明,掺气设施的优化坎高主要与来流Fr数有关,来流Fr数愈大,所需坎高愈小;来流Fr数愈小,所需坎高愈大.     

低弗劳德数水流二级消力池体型参数试验研究

低弗劳德数水流条件下,二级消力池是解决消能问题的一种有效途径。但至今为止,有关二级消力池的工程应用研究较多,而在体型参数和消能机理方面研究较少。为此,采用理论分析和物理模型试验相结合的方法,研究了低弗劳德数水流二级消力池体型参数及其敏感性。结果表明:消力池的长度、深度和尾坎高度等参数都存在界限值,超出界限值时第一级消力池易于产生波状或远驱水跃,而第二级消力池出池水面波动显著增大。池长小于界限值时,消力池池内流态恶化,消能率明显降低;尾坎高度越低,消波效果越好。优化后的二级消力池消能率明显提高,且二级消力池对尾水位的适应性也显著扩大。引入尾坎高度修正系数ωi,提出了各级池长和尾坎高度的计算公式。     

基岩弯曲河段洪水水流结构的试验研究

低坡度基岩弯曲河流在地质构造控制区域广泛存在（床面坡度小于5‰）,洪水对基岩弯曲河流的河床淤积与侵蚀具有较大影响,但以往研究对基岩弯曲河流的洪水动力结构认识不足。通过几何概化基岩弯曲河段,考虑Froude相似与边壁粗糙,建立基岩弯曲河道概化模型,分析洪水下的弯道水面线分布、时均流场与湍流结构特性。结果表明:在洪水流量下,弯顶上游出现最小水面横比降、凸岸水流分离、凹岸双环流发育、流速下潜且二次环流强度达到最大,在弯顶下游水面横比降达到最大并出现环流分裂;床面切应力分布于凸岸水流分离以及弯顶上游中心区域,横向动量输移集中于弯顶上游。试验结果为基岩弯曲河道中的床面侵蚀与沿程淤积提供了水动力方面的解释。     

盾构隧道环向开挖面破坏机制及剪胀效应研究

采用刚性滑块构建两种圆形隧道失稳环向开挖面破坏模式,利用编制的非线性规划程序求解隧道失稳环向开挖面支护力系数σ_T /c（σ_T为均布支护荷载,c为有效黏聚力）最优上限解及地层破坏模式,揭示地层参数对隧道稳定性的影响,提出简单实用的极限支护力简化公式。研究结果表明：不排水条件下,当隧道埋深比H/D（H为埋深,D为隧道直径）和重度系数γD/c（γ 为重度）较小时,破坏区域主要集中在隧道中上部,随着H/D和γD/c增大,滑移线起始位置沿着隧道轮廓逐渐向隧道底部扩展,破坏区域向水平方向扩展。排水条件下,地层破坏模式主要有3种。当内摩擦角ϕ 和γD/c较大时,随着剪胀系数的减小,极限支护力和地层破坏范围变化较大,甚至可能引起破坏模式的改变。针对不同深度提出的极限支护力简化公式可快速获得隧道环向开挖面极限支护力。     

考虑回水影响的河道水位流量关系确定方法

为评估长江中游受回水影响河段内河床调整引起的水位变幅,提出一种仅依赖水文资料的多值型水位—流量关系确定方法。结果表明:单值型关系无法区分河床调整与回水因素的影响,而已有的多值型方法可操作性受限;长江中游河道断面的河宽与水深之间,以及流量与糙率之间都具有明显制约关系,依据这些制约关系对恒定渐变流方程简化,可得到上下游水位与河段内流量之间的多值型函数关系;确定出多年平均水位—流量关系之后,计算水位与实测水位之间的残差能够反映河床调整的影响;在长江中游3个不同类型典型河段的应用表明,河床稳定情况下的计算与实测水位之间决定系数R2值超过0.99,河床调整情况下,新方法更易识别水位变幅。     

洞塞式消能工的数值模拟

针对有压洞内洞塞式消能工附近局部流动,分析研究了水流紊动特点,应用三维RNG k-ε紊流模型,利用物理模型试验资料对其计算结果进行了验证,利用模型对洞塞式消能工引起的水头损失进行计算分析,分析结果表明,当洞塞段相对长度从很小开始增加时,水头损失系数呈现先急剧降低而后明显增加,最后缓慢线性增加的趋势;在有压洞半径一定的情况下,洞塞段过流半径的变化比洞塞段过流长度的变化对水头损失系数影响更为明显,可为洞塞式消能工的设计提供相关参考依据。     

无粘性泥沙的起动条件

对H. A. 爱因斯坦等国内外数10种不同形式和结构的泥沙起动条件进行分析研究,统一转化为无因次起动切力θ_c=τ_c/(γ_s-γ)d的形式,并分析计算出无粘性均匀沙的θ_c值。一般来讲,θ_c是界于0.0231～0.0716之间的一个常数值。从分析结果可看出各种公式之间的差别,为使用选择公式提供了科学的依据。     

曲线坐标系二维带自由表面强紊动水流数值模拟

将追踪自由表面的流体体积(VOF)法应用于曲线坐标系下水流控制方程的求解中,计入流线弯曲对水流紊动特性的影响,建立了垂向二维强紊动水流的曲率修正的紊流模型,并对溢流坝反弧段的紊流特性进行了数值模拟。数值计算时,采用有限体积法离散水流的控制方程;物理变量,如:压力P、紊动参量κ、ε、γt等,采用交错方式排列(交错网格布置),用SIMPLEC算法求解离散方程。计算结果表明,得到的溢流坝反弧段的自由表面位置、速度场、压力场、剪应力分布和紊动能分布与实验结果吻合良好。     

微淹没圆形射流空化特性减压试验

空化空蚀和掺气减蚀机理的研究是高速射流研究的重要方面。在微淹没条件下,保证闸室面积与射流出口面积比不变,对设置门槽的有压矩形闸室后接圆管射流的突扩突跌消力池空化特性进行减压试验,其中跌坎高度S（5.5 m和4.0 m）和圆管长度L₂（L₂/d=2、1和0,d为圆管直径）。跌坎高度S从5.5 m降低至4.0 m,门槽及圆管射流出口处消力池边墙发生空化的可能性变化仅10%。圆管长度L₂/d=2和0时门槽发生空化的可能性比L₂/d=1时高出40%~60%;而L₂/d=0时圆管射流出口处边墙的空化可能性比L₂/d=1时可高出260%,L₂继续增加对空化特性的不利影响有限。增加跌坎高度S有利于水流掺气,为达到良好的掺气减蚀效果,不宜过低。因此,跌坎高度S对门槽及圆管射流出口处消力池边墙空化特性影响较小,而圆管长度L₂对其空化特性影响较大。