人工粗糙壁面的水跃特性研究

根据已有文献对密排加糙壁面水跃共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度的试验结果,分析了密排加糙壁面水跃的共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度、壁面平均切应力随弗劳德数、跃前和跃后断面水深、壁面粗糙度的变化规律;给出了人工粗糙壁面水跃共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度、壁面阻力系数、壁面平均切应力的计算公式;通过已有文献的试验结果对公式进行了验证,得到了水跃共轭水深的平均误差为4.06%,水跃旋滚长度和水跃长度的平均误差分别为4.25%和7.16%。研究表明:人工粗糙壁面水跃的共轭水深和水跃长度随着跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着壁面粗糙度的增大而减小;壁面平均切应力随着壁面粗糙度和跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着共轭水深比的增大而减小。     

密排加糙床面消力池水跃旋滚长度的计算

为了计算水跃旋滚长度这一重要特征尺度,本文通过追踪水跃区水体质点的运动方程,研究了密排加糙床面消力池水跃旋滚长度的变化规律.结果表明:水跃旋滚长度与跃高相关;相对加速度并不是一个常数,而是与跃前断面弗劳德数、跃前和跃后断面平均水深、床面粗糙高度相关的函数.最后通过与已有密排加糙床面实验工况的结果进行对比,验证了本文旋滚...     

综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件研究

综合式消力池第三种设计方法为常用设计方法,但在下游水深较大、弗劳德数较小时计算的消力坎高度较大,甚至出现消力坎高度远大于下游水深且消力池深度出现负值的不合理现象。分析综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件对于工程设计具有重要的指导意义。根据综合式消力池的消力坎后可能发生的水跃现象,分析常用设计方法出现问题的原因,主要是假设消力坎后发生临界水跃与实际水流条件不符。常用设计方法应用的条件为消力坎后下游河床的水流弗劳德数Fr_t大于某一临界弗劳德数Fr_c、或下游水深h_th_k/Fr_c~(2/3),给出了消力坎流速系数ф=0.75~0.98时临界弗劳德数Fr_c的计算公式。探讨了消力坎的极限高度和最小坎高,消力坎的极限高度等于下游水深;给出了最小坎高的计算公式。通过与其它三种计算方法的比较,表明在符合综合式消力池应用条件的情况下,常用设计方法得出的计算结果与其它方法一样具有可靠性。     

波状床面综合式消力池的水力计算

分析了综合式消力池在消力坎计算中存在的问题,提出了计算消力坎高度和消力池深度总高度的估算方法。根据文献[6-7]对波状床面水跃共轭水深和水跃长度的研究成果以及综合式消力池的一般计算方法,给出了波状床面综合式消力池跃前水深的显式计算公式、跃后水深的迭代计算公式。在文献[11]对消力坎淹没系数研究的基础上,对于淹没度,在0.45≤h_s/H_(10)≤0.92范围内重新给出了精度更高的计算淹没系数的公式。通过算例给出了波状床面综合式消力池的水力计算过程和计算步骤,推荐在综合式消力池的水力计算中,先假设消力池的深度,再计算消力坎高度的简单计算方法。通过对比分析可以看出,波状床面综合式消力池与普通综合式消力池相比较,可以大幅度地减小消力池深度、消力坎高度、跃后水深和消力池长度,提高了消能效果,是一种值得推荐和研究的消力池形式。     

自由水跃区壁面阻力的研究

根据已有文献对附壁射流区流速分布和壁面阻力的试验成果,分析了自由水跃区断面流速分布和最大流速沿程分布规律;首次根据边界层的动量积分方程分析了水跃主体段的射流厚度、水跃区的壁面切应力系数、壁面阻力系数的变化规律;给出了边界层厚度、壁面局部阻力系数、壁面阻力系数、平均壁面阻力系数的计算方法,并将计算结果与已有文献的试验资料进行了比较。结果表明:由本文式(9)和式(26)得到的数据与文献中的试验数据吻合较好;在Fr1≥5.45时,式(29)的计算结果与试验较吻合,在Fr1?5.45时,其计算结果与试验偏差较大;采用本文公式(34)计算水跃的共轭水深,与文献所得结果的最大误差为3.643%。     

消能锥阀结构改进的三维数值模拟研究

对常规消能锥阀体型进行了改进,提出了一种新型的嵌套式消能锥阀.该新阀将原来通过阀体的一股环状射流变为两股互不平行的环状射流,通过这两股高速水流在阀口的碰撞提高消能率、改善流态.采用可压缩的两相流模型,辅以Realizable k–ε湍流模型来模拟锥阀附近水流的水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法,并进行压强场和流速场及消能情况的对比分析.结果显示:在上游进口端控制断面的水流流量相同的情况下使用嵌套式消能锥阀,阀前进水管道的压强可由原来的25kPa减小到15kPa,减小了40%;阀体所承受的压力由35kPa减小到10kPa,减小了57%;下游管道中水流落点之后的沿程断面平均流速减小了约0.1m/s.在上游进口端具有相同的总水头的情况下,嵌套式消能锥阀对流速水头及压强水头的消能能力都要比使用常规消能锥阀好.     

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。     

带滩槽地形的连续弯道中纵向流速横向分布解析

本文基于沿水深积分的动量方程,假定二次流项和弯道附加应力项沿横断面呈线性分布,提出了预测弯道垂线平均纵向流速的解析计算方法,进一步提出了河槽区和河滩区垂线平均纵向流速沿断面分布的求解模式,并将其应用于带滩槽地形的反向连续弯道水槽中.根据实测数据率定计算参数,该模式可计算不同出口水深条件下断面垂线平均纵向流速分布,计算结...     

明流光滑平板边界层特性

本文应用正交偏振差动式激光测速系统,测量了明渠水流中顺流放置的光滑平板上边界层内的流速分布。特别是由于仪器的改进,比较详尽地量测了粘性底层中的流速分布,从而确定了壁面切应力。文中给出了切应力系数与雷诺数Re_x=U_0x/v的关系。 试验研究发现明流光滑平板边界层中,与无限边界绕流平板边界层一样,沿平板有层流边界层,转捩区和紊流边界层三部分。边界层厚度的计算公式也基本相同,明流平板的紊流边界层具有分区性质,沿高度将边界层分为粘性底层,过渡区和紊流区。在过渡区和紊流区中流速分布可用指数方程u/U_0=M(y/δ)~(1/n)表示。过渡区中n值在2—3之间。紊流区中M=1.0,n值随Re_x而变化,n=1.17Re_x~(0.135)紊流区也可用对数公式u~+=5.95logy~++5.48。这些公式中的常数与无限边界绕流平板边界层的情况略有差别,粘性底层中流速为线性分布,u~+=y~+。     

旋流消能工内空腔旋流的能量特性

为了揭示旋流消能工内空腔旋流的能量特性,本文以公伯峡水电站为例,基于组合涡运动规律推导并建立了空腔旋流各类能量的计算公式,研究了空腔旋流的能量特性。结果表明,文中的能量计算公式在空腔旋流的能量计算中具有更好的适宜性,克服了常规能量方程在空腔旋流能量精确计算中的局限。旋流洞内空腔旋流的切向动能沿程减小;轴向动能和压力势能沿程波动变化,且相对轴向动能和相对压力势能沿程变化趋势相反;空腔旋流的总能量以轴向动能为主且沿程减小;在水平长度为15.5m的研究流段间其能量损失约占总水头的5%。并结合湍动能耗散率揭示了空腔旋流能量损失的主要组成部分。成果对旋流消能工的设计和深入认识旋流消能工内空腔旋流的能量特性具有指导意义。     

台阶式溢洪道掺气水流水深的试验研究

根据紊流边界层理论,整理分析了前人对台阶式溢洪道掺气位置的研究成果,提出了掺气发生点的计算方法。通过模型试验,研究了坡度分别为30°、51．3°、60°台阶式溢洪道上掺气水深的分布规律。研究结果表明当台阶尺寸一定时,掺气水深主要与堰上流能比、台阶坡度、台阶以上总水头有关;流能比越小,单宽流量越小,台阶上的水层越薄,掺气越充分,相对掺气水深越大;随着坡度的变陡,来流速度增加,掺气发生点前移,水流破碎严重,水深增加越大;沿程相对掺气水深随流程的增加而增加。     

有限水深中二维湍流边界层的发展

有限水深中湍流边界层主要是指水流在重力作用下绕建筑物流动时的边界层现象。它区别于一般在无限流场中绕流物体的边界层。它的特点是具有自由表面,边界层有可能发展至全部水深,质量力不容忽视,受到外流流速变化的影响。本实验采用激光流速仪量测二维明渠水流沿程各断面的流速分布,根据实验结果,分析研究了有限水深、粗糙壁面条件下,二维湍流边界层的流速分布特征和厚度发展规律,以及孤立粗糙体对此二者的影响。      

标准Ⅰ型四圆弧蛋形断面的水力计算

提出了标准Ⅰ型四圆弧蛋形断面正常水深、临界水深、水跃共轭水深、水面曲线的计算方法。依据标准Ⅰ型四圆弧蛋形断面的形式,根据几何图形研究其水力参数的计算公式,包括断面面积、水面宽度、湿周、断面形心距水面距离的计算公式;根据明渠均匀流和明渠恒定非均匀流的基本理论,研究标准Ⅰ型四圆弧蛋形断面的正常水深、临界水深、水面曲线的计算方法;根据明渠水跃的基本方程研究标准Ⅰ型四圆弧蛋形断面水跃共轭水深计算方法;给出了标准Ⅰ型四圆弧蛋形断面水力参数的计算公式以及正常水深、临界水深、水跃共轭水深的简单计算公式和水面曲线的积分计算公式。通过三个算例进行验证,结果表明:本文提出的正常水深、临界水深、水跃共轭水深的简化计算公式与理论计算公式相比,误差分别为0.049%、0.0082%、0.35%;水面线的积分算法与步高为1mm的分段算法相比,误差为0.816%。表明了本文计算方法的准确性。     

齿墩与消力池联合消能机理分析

齿墩与消力池联合消能可用附加射流水跃理论分析 ,用跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积减少的百分数 ,估计新增消能设施的经济效益 ,并通过模型试验验证消能的理论分析 ,计算新增设施的消能量、跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积减少的百分数。结果表明 ,采用齿墩设施 ,可增进消力池的消能作用 ,并取得显著的经济效益 ,达到附加射流水跃理论所预期的效果     

激光测速仪及其在研究溢流坝面中的应用

本文简述了激光测速仪原理和试验装置.应用该仪器研究了溢流拱坝坝面的一些水力学问题,如流速系数、能量损失、动能校正系数及断面速度分布等.同时,对溢流坝面边界层的发展作了初步探讨,由边界层动量方程出发,导得边界层厚度表达式和边界层相对厚度与雷诺数的关系式,并与实测资料进行了对比.     

应用二维激光测速系统研究面流消能的紊动特性

本文应用二维激光测速系统对面流消能工下游典型流态的紊动特性进行了系统的试验研究,得到了不同来流条件下面流的时均流速、紊动强度及雷诺应力等沿主流与回流区的分布特征;计算并绘制了流线图,由此分析了淹没面流时底旋滚长度和佛劳德数的关系。对紊动能量的转换过程及耗散特征进行了计算分析,初步探明了消能机理。     

突然扩散水跃方程的近似解

突然对称扩散水跃被广泛地应用于实际工程。本文研究了突然扩散水跃方程及它的近似解特性,应用动量守恒原理推导了突然扩散水跃共轭水深关系式。通过级数展开处理,获得了突然扩散水跃方程的近似解,给出了确定有关参数的经验公式。不同突扩比时突然扩散水跃方程的近似解与实验结果的平均误差为5.642%,可见与实验结果吻合较好。另外,将近似解应用到矩形渠槽的水跃,结果说明与实验的平均误差为1.943%。在稳定水跃范围内,与矩形明渠水跃典型理论解的最大误差为1.2%。近似解能很好地与理论解及实验一致,这说明水跃方程近似解具有较高的精度,是可靠的。本文近似解可以应用到计算工程问题。     

台阶式溢洪道掺气特性的试验研究

通过试验研究了台阶式溢洪道上的掺气现象以及掺气区域的划分，试验表明，台阶式溢洪道沿程掺气可以分为非掺气区、掺气发展区和掺气充分发展区等三个区域；断面掺气分为台阶影响的含气区、楔形清水区、水中气泡区和空中水滴区。试验还测量了台阶式溢洪道上的断面掺气浓度及其沿程分布，计算了断面含水率，提出了初始掺气点的计算方法。与光滑溢洪道相比较，台阶式溢洪道具有初始掺气点前移，掺气发生早，发展快，掺气浓度大等特点。     

龙口垂向二维流场数值模拟

根据物理实验的具体条件,应用基于RANS方程和VOF方法对堰流垂向二维流动进行了数值模拟.计算结果复演了堰流的四种典型流态,并与实验结果中水位、流速分布以及最大流速沿程分布相比较,表明数值模拟方法是可行的.以长江口青草沙水库主龙口施工过程为背景,在给定上下游不同水位差的情况下,对龙口垂向二维流动进行了数值模拟.给出了龙口大流速区的位置,比较了在不同龙口底槛高程的情况下龙口局部流场的变化特征.     

基于消力井直径变化下竖井溢洪道压强特征试验研究

为研究消力井直径变化下竖井溢洪道内部各个重要部位的压强特征,在满足泄洪能力的前提下,保持消力井井深不变,分别对直径D0=6.5m、D0=9.1m、D0=11.05m三种方案进行水工模型试验,研究分析了洞内环形堰面段、竖井段、底板段、压坡段的沿程时均压强特征、脉动压强参数。试验结果表明:环形堰面段在自由堰流时时均压强随堰上水头变化幅度不大,而在淹没堰流时各测点时均压强趋于静水压强沿程逐渐增大趋势;竖井段下部时均压强随堰上水头呈增大趋势;底板段和压坡段时均压强随直径的增大呈现减小趋势,但减小幅度不大;在不同直径下消力池底板的优势频率都出现在2Hz内,属于低频率范围,不会对底板产生共振破坏现象。