陈华[1]2003年在《“附加动量”对冲式消力池的研究》文中认为在水利水电工程建设中，面广量大的中小型闸坝工程在我国四化建设中起着重要的作用。但这些工程一般都为低佛汝德数水跃消能，如果消能问题解决不好将影响建筑物的正常运行，甚至危及闸坝工程的安全。本论文针对目前中小型水利工程中低佛汝德数底流消能存在的一系列问题提出一种新的消能形式，利用闸下铺设通路形成对冲水流，一方面与闸下正向出流碰撞消能，另一方面降低第二共轭水深，同时抬高消力池尾水高度使水流能在消力池内发生淹没水跃进行消能。本文分别从水力学方法、水力试验、数值模拟计算对此消能形式进行了探讨和研究，分析了对冲消力池中的水流流态及对下游的影响。本文的主要内容有： 1．对底流消能状况进行了总结。 2．利用水力学方法对对冲消力池进行了理论分析，推导了消能效率等基本公式。并分析了对冲消力池优于常规消力池的原因。 3．对对冲消力池进行了多组试验，测量计算了对冲消力池在不同工况下的消能率、速度场、压力场，对实验数据进行了整理，拟合了如消能率、佛汝德数等水流参数之间的关系，并与理论值进行了比较，结果吻合较好。 4．在直角坐标系下建立控制方程，对对冲消力池流场进行二维数值模拟，计算结果说明RNG k-ε紊流模型较适合于对冲消力池的流场模拟，计算结果与实验资料较为吻合。 研究表明，对冲消力池消能率高，在低佛汝德数工况下消能效率平均提高15％左右，且具有水流稳定，易于控制成淹没水跃，减轻对下游的冲刷和减少消力池长度及防冲槽长度的优点，对下游河床的演变也起着可调控作用，从而节省工程投资，也可节约河道防冲的维修费用，对工程具有实用价值。同时对底流消能的理论有重要意义，其研究成果可为工程设计提供可靠的设计依据。这种消能形式对高水头泄水建筑物及箱式消力池中的消能也值得借鉴，对泄水建筑物的工程布置也有重要的意义。
袁新明, 陈华, 王丽艳[2]2004年在《低佛氏数对冲式消力池紊流水流的数值模拟》文中提出采用RNGk-ε紊流模型和体积函数法(volumeoffluid,VOF)追踪自由水面的方法,数值模拟了低佛汝德数对冲式消力池中的水流结构,并与试验进行了比较,结果显示其水流特性、断面流速、压力分布及自由水面位置与物理模型试验吻合良好,此成果有助于了解对冲式消力池的水流结构,为工程设计提供依据.
付海波[3]2017年在《Y型宽尾墩与消力池联合消能水力特性研究》文中进行了进一步梳理泄洪消能问题一直是高坝枢纽布置的控制因素,将宽尾墩与消力池联合运用于高坝消能可兼具二者特点,通过在闸后形成纵向拉高水舌增大掺气,在反弧附近扩散主流交汇碰撞形成叁元水跃,不仅能提高传统消能工的消能率,而且能缩短消力池长度,减少投资,目前这种消能方式已运用于我国较多工程中。对宽尾墩与消力池联合消能水力特性进行研究,具有一定的理论意义及工程运用价值。本文在总结前人研究的基础上,以某电站为依托,对宽尾墩和消力池联合消能的叁维流场进行了数值模拟,探究了不同参数对联合消能工水力特性的影响,结合模型试验数据,对宽尾墩消能特性进行了进一步研究。主要的研究内容和成果有:(1)归纳总结了宽尾墩的发展及应用情况,明确了宽尾墩各特征参数对其水流特性的影响,为研究提供了理论基础和思路。并通过模型试验验证了所采用数值模型和计算方法的合理性。(2)定义了收缩比β,宽尾墩长度l,上顶点与始折点高差h,及始折点与上缩点高差n四个参数变量,并设计了 12种宽尾墩体型。采用逐步收敛法,通过数值模拟研究了各参数变化时,对流态、水面线、流速、压力等水力参数的影响效果。在分析了宽尾墩水流特性变化规律的基础上,推荐了优化体型。(3)基于推荐体型进行整体模型试验,通过对不同工况的水力参数进行分析,验证了该体型对本工程适用性良好,并进一步研究了各水力参数的变化规律,深化了对该联合消能工水力特性的认识。
杨敏[4]2003年在《高坝消力塘水动力特性与防护结构的安全研究》文中提出高坝消力塘作为防护下游河床的结构，其自身在高速水流冲击下的安全性是实现消能和防冲目的的关键所在，国内外都不乏破坏的实例。近年来，我国拟建和在建的一批具有世界级水平的300m量级高坝，消能问题十分突出。消力塘防护结构的稳定性是当前水工水力学学科的前沿课题之一，也是实际工程所面临的亟待解决的课题。本文首先从模型相似准则、材料特性、模型布置、水动力荷载的成因和测试方法、失稳机制和分析方法等方面阐述了模型中研究水垫塘安全性的基本准则。结合溪洛渡、拉西瓦、锦屏一级、糯扎渡、向家坝等大型工程消力塘水工模型试验研究，通过同步测量各种水力参数以及理论分析，提出消力塘底板整体荷载预测及反拱形底板的稳定性分析方法。在此基础上，对防护结构安全控制指标以及评估体系等方面进行了系统研究。主要成果包括：（1）导出满足板块间缝隙水流流动的相似条件并阐述了模型研究消力塘底板稳定性的基本相似准则。（2）提出的平底板和反拱形底板整体荷载的预测经验公式可对类似工程底板最大上举力进行稳定性评估和确定防护水平和防护范围。初步分析了板块失稳的频率特征。（3）用“随机拱”的概念，建立了反拱形底板整体和局部稳定分析的结构力学分析模型并进行实验验证。从板块极限平衡角度，得出了反拱形底板优于平底板的量化指标。（4）根据反拱底板的结构特性，提出用非连续介质数值方法来分析反拱底板的稳定性，并建立了一种新的数值方法—块体弹簧元方法，进一步揭示了防护块体—锚固—锚固的相互作用机制，结果令人满意。（5）基于大量的试验数据，分析了冲击压强和整体荷载(上举力)之间以及点脉动压强与冲击压强之间的量化关系。建议用脉动压强均方根作为稳定控制指标。（6）研究了底流消能消力池作用于底板上整体荷载(上举力)特性并给出了预测方法，同时提出了以脉动压强为参数的控制指标。最大上举力可以用底板表面的脉动压强来表征并作为底板安全的控制指标。（7）研究了水垫塘边坡衬砌块上的水动力荷载特性，得出的最大上举力与脉动压强的关系可作为边坡安全控制指标。<WP=4>（8）通过某工程消力池隔墙水力学模型试验研究，结合动力有限元计算，对脉动压强沿水流方向的分布规律以及频谱特性进行了分析。采用独特的测量装置研究了整体荷载特性并提出消力池不同位置隔墙段的稳定控制参数。
徐庶伟[5]2015年在《反弧式跌坎底流消能工的FLUENT数值模拟研究》文中进行了进一步梳理跌坎型底流消能工是在常规底流消能工基础上发展起来的一种新型消能工,相对于常规底流消能工能有效降低消力池的临底水力学指标。在跌坎型底流消能工中,随着坎深的增大,消力池内最大临底流速降低,底板的时均动水压力减小。在高水头,泄槽角度较陡时,跌坎型底流消能工其水流冲击荷载较大,流速衰减较小,往往需要较深的跌坎,增加施工成本。但在下游水位较高及地形地质条件允许的情况下,通过反弧段将出流的角度上调,避免主流对消力池底部产生直接冲击,可以在不增加坎深的情况下,有效降低跌坎消力池的最大临底流速和底板时均动水压强。本文首先通过对跌坎型底流消能工进行叁维数值模拟,再通过模拟结果与试验结果进行对比分析,验证对跌坎型底流消能工的叁维数值模拟的可行性。然后利用数值模拟的方法对反弧式跌坎型底流消能工的水力特性指标进行计算。再利用水力学模型试验的方法对数值模拟的结果进行验证。最后运用数值模拟的方法单独改变反弧式跌坎型底流消能工反弧仰角进行计算,得出不同反弧仰角对跌坎型底流消能工消力池内水力特性的影响,用来指导今后相应的模型试验。本文得出的结论如下：(1)通过对跌坎型底流消能工进行叁维模拟,得出叁维数值模拟的方法应用于跌坎型底流消能工是可行的。(2)通过数值模拟方法对跌坎型底流消能工消力池流场进行仿真计算,得出了跌坎型底流消能工中增设反弧段能改善跌坎型消力池内水流流态和消能率。同时当流量较大时可以通过增加尾坎高度的方式来优化各项水力学指标。(3)通过水力学模型试验的方法,对反弧式跌坎型底流消能工进行测量,得出的结论和数值模拟方法相同,同时把模型试验的测量结果与模拟计算结果进行比对,从而进一步说明运用数值模拟方法研究反弧式跌坎型底流工是可行的。(4)通过数值模拟的方法,在入池流量较大的情况下,单独改变反弧式跌坎型底流消能工的入射反弧仰角和入射角度进行模拟计算,通过对计算结果进行分析,得出适当提高反弧式跌坎型底流消能工中的反弧仰角能避免主流直接冲击消力池底板,使得跌坎消力池内消能流态更好,并且能够使冲击点位置后移,且底板冲击点处的最大底板压力值减小,临底流速降低。随着入射角度的增大,跌坎消力池内水面线高度减小,冲击区底板压力值增大,临底流速增大。
王滢[6]2005年在《圆形深筒式消力井试验及消能机理研究》文中认为管道输水过程中由于地势高低不同经常出现落差大的情况,使得输水管管道承担的压力变化范围大、总水头高,因此管道水流转化为明渠水流时需设计特定形式的消能建筑物。对水头高,流量小的管道水流消能,圆形深筒式消力井是较理想的消能建筑物。本文通过物理模型试验,对圆形深筒式消力井进行了试验研究给出了水力设计的基本方法,并在此基础上对井内水流流态作了探索性研究。 本文首先较系统地总结了消能工的研究现状;设计制作圆形深筒式消力井水工模型,通过试验及数据分析建立了圆形深筒式消力井各变量间的函数关系式,得出圆形深筒式消力井水力设计的基本方法,即已知设计流量和进水管直径,由曲线可得到圆形深筒式消力井的最优尺寸,并运用工程算例进行验证。根据水力学基本原理建立了圆形深筒式消力井井内水流二维紊流代数应力模型,确立了相应的边界条件,为从理论上更深入的研究圆形深筒式消力井消能机理提供了一个新的数值研究方法。
杨弘[7]2008年在《高坝消力塘防护结构耦合动力分析与健康诊断研究》文中指出高坝消力塘作为防护下游河床的结构,其自身在高速水流冲击下的安全性是实现消能和防冲目的的关键所在,国内外都不乏破坏的实例。高坝消力塘防护结构的工作和破坏机理十分复杂,是高速水流水动力特性与防护结构的结构动力特性耦合作用的结果。本文结合模型试验、原型观测和数值分析,研究高坝消力塘水动力荷载特性,开展耦合动力分析的数值模拟方法研究,揭示消力塘防护结构的受力特点、工作机理及失稳的动力过程。并在此基础上将力学分析结果、专家经验、人工智能技术有机融合,提出高坝消力塘防护结构的健康诊断方法。主要成果包括:(1)引用水跃和冲击射流的研究成果,详细分析了底流和挑跌流消力塘内的水流流态特征,探讨了这两种型式消力塘内时均压力和脉动压力的分布规律。(2)开展板块之间、板块与基岩间缝隙脉动压力传播规律研究,着重研究了缝隙宽度对脉动压强的影响。(3)开展止水破坏情况下底部渗压与表面动水压力的耦合作用机理研究,分析了渗压耦合作用对板块下表面不同区域时均动水压强、脉动压强的影响,并研究了不同止水破坏方式板块上举力的变化情况。(4)探讨了挑跌流和底流消力塘内板块及边坡的最大上举力的预报方法;系统分析了水流脉动压力相关尺度、消力塘底板尺寸、上下表面脉动压力的相关特性对底板水流上举力的影响,基于此对消力塘底板块尺寸优选进行了研究,并对透水底板上举力降低的原因进行了初步分析。(5)分析了消力塘底板的失稳破坏过程、稳定性计算模式及它们之间的内在联系,并对消力塘底板稳定性的控制指标进行了研究。(6)对高坝水垫塘防护结构泄洪振动进行了原型观测,全面分析防护结构正常工作状态下的动力响应特性。(7)分析了水垫塘底板失稳破坏各个阶段的动位移响应特性,提出可以利用底板动位移响应来识别水垫塘防护结构的稳定性。基于粘结滑移、非线性接触及流固耦合理论,建立水垫塘底板、水体、基岩、锚固钢筋的耦合有限元模型,计算不同破坏状态下底板块的极限动位移,结合原型观测结果进行动位移响应特性的分析,从而对水垫塘底板的稳定性进行识别。(8)计算了水垫塘底板振动信号的正常盒维数区间和动力失稳过程不同阶段的盒维数变化,并且结合时域、幅值域、频域分析方法,对水垫塘底板振动特征进行了分析与比较,结果显示分形维数对于水垫塘底板泄洪振动异常情况很灵敏。利用分形盒维数对水垫塘底板振动的主要故障信号进行了分析与识别,明确了分形维数与故障特征之间的内在联系。(9)通过对模型实验、原型观测、耦合动力数值模拟结果进行综合归纳分析,将力学分析结果、专家经验、人工智能(AI)技术有机融合,提取与防护结构破坏相关的敏感特征量,建立高坝泄洪防护结构安全监控的理论模型、监控指标,构建高坝消力塘防护结构的健康诊断系统。
陆雯[8]2010年在《沙河水库主坝泄洪闸模型试验研究与优化》文中研究表明沙河水库主坝泄洪闸泄洪时,闸上水位较高,泄洪闸底板高于闸下泄洪河河底14.5m,且消能最大水头近18m,水力衔接的落差较大,泄洪时闸下消能、防冲问题尤为突出。设计单位根据不同设计方案,最终利用“跌水”和“水跃”两种水力消能原理,将多级跌水结构与挖深式消力池结构相互融合,形成“跌水消能”与“水跃消能”互相迭加的复合式溢洪道水力设计。为验证工程枢纽布置的合理性及泄洪消能方案的可行性,通过建立工程整体模型,针对试验过程中出现的问题,提出改进意见及措施,使其满足工程安全运行要求,并提出溢洪道优化布置方案。本文的主要工作包括以下内容：阐述各种消能型式的优势和缺点,并就现阶段国内外消能型式发展状况进行总结。阐述在设计低佛氏数水跃消能工所遇到的问题,以及此类型泄水建筑物水跃消能的特点和所要解决的问题。根据沙河水库主坝泄洪闸泄洪的特点,确定试验目的和任务。按重力相似准则进行模型设计,选择量测仪器,对泄洪闸闸后六级跌水消力池进行整体水工模型试验研究。观测不同运行工况下消力池内的水流流态、水面线、压强和流速分布。经过试验研究和多方案比较,提出消力池体型优化方案。同时,本文利用FLUENT软件,采用标准k-ε紊流模型对六级跌水式消力池进行二维数值模拟,模拟结果与试验结果较为吻合。本文的研究成果为工程设计提供可靠的设计依据,不仅适用于沙河水库主坝泄洪闸,对同类型泄水建筑物的消能布置也有重要意义。
高永辉[9]2008年在《高水头、长压力管道安全泄流消能研究》文中认为消能问题是水利水电工程建设中的重要问题之一,正确合理的选择消能方式是确保水电建筑物安全经济的基本条件。甘肃省酒泉市开源电站为一引水式径流水电站,主要水工建筑物为引水闸、引水渠、厂房和尾水渠。针对该二级电站中不适于修建调压塔的原因,本文将采用防爆膜替代调压塔,以解决因事故跳闸等原因,水电站机组突然丢弃负荷,致使机组转速升高、引水系统压力急剧上升,所引起的危及机组和引水系统安全的问题,从而确保压力管道的安全。并对爆破膜爆破后,压力管道末端高水头、大流速安全泄流消能问题,提出并采用淹没冲撞消能的新型消能方式来解决。本文首先对基本的消能方式做简要的概述,其次重点介绍了淹没射流的理论分析成果,而后详细叙述了CFD及FLUENT软件的工作流程及主要功能。通过对单股水平淹没射流的理论分析计算并对比数值模拟结果,从而验证CFD数值模拟软件不仅能够准确模拟复杂淹没冲撞消能的内部流场,而且能够避免理论分析计算所带来的巨大工作量。利用CFD流体计算软件,针对本课题中消能池尺寸大小、出口流量均已确定的情况下,如何最大程度的消除高速水流所携带巨大能量的问题,本文采用了30°、45°、60°和75°四种不同的水流入射角度,分别模拟出在四种不同角度下消能池内的流速场及压力场分布,并通过对消能池内部流场及各壁面上流速、压力的分析研究,找出影响其消能效果的主要因素,并确定最佳的消能方案。
何钟宁[10]2007年在《大型泵站钟形进水流道叁维数值模拟与试验研究》文中研究表明进水流道是大型泵站的一个重要组成部分,其水力特性对水泵性能有着直接的影响。良好的进水条件可以使水泵装置达到良好的运行状态,获得较高的效率。水流流态特别是进水流态直接影响水泵的正常运行。大型轴流泵站,流道相对较短,进水流场不均匀会造成水泵进口流速与压力分布不均匀,极易引起水泵效率下降并产生振动、噪声和空蚀破坏。开展泵站进水流道内流场的研究有助于探求水泵进水流态的变化规律并对复杂几何形状的进水流道优化设计和提高泵站效率及安全可靠性有重要意义。本文的研究分为两部分,一部分是钟形进水流道的数值模拟计算,另一部分是同方案下水工物理模型试验。研究选取对工程造价影响明显且争论较大的流道高度(喇叭管悬空高度)作为对象;文中分别设计了多种方案下的水工物理模型和数值模型。通过深入研究,尝试揭开相关因素对流道性能的影响规律。本文概述了各种典型的进水流道形式,构建了合理的钟形进水流道叁维流动数学模型。采用直接求解叁维雷诺平均方程和k-ε湍流模型方程组的方法,对钟形进水流道内流场进行叁维数值模拟计算。通过数值模拟计算分析研究钟形进水流道进水流态的影响因素,并在此基础上提出合理的悬空高优化水力设计方案。在对钟形进水流道进水流场观测的同时,本文引入两个目标函数-流道出口速度分布均匀度、流速加权平均角度,对数值计算结果进行分析。结果表明钟形进水流道悬空高对水泵叶轮进口断面流态影响较为显着。实验测量得到的结果真实可靠,它是理论分析和数值方法的基础和验证手段。受种种条件制约,有时很难进行所需的实验。在数值模拟计算的基础上,本文进行了物理模型试验。试验主要从流态观测与测试两个方面进行,试验结果表明数值模拟计算结果合理、正确。本文将实验测量和数值模拟相结合,以便两者数据相互验证,并从中发现水泵进水流态的变化规律。本文中进水流道共做了4个水工模型实验方案和6个数值模拟方案。物理模型试验实测了流道的水力损失和部分流态数据。数值模拟中选用了工程实践中最常见的雷诺时均方程和标准k-ε双方程模拟湍流运动、应用有限体积法离散控制方程、SIMPLEC算法求解方程组的方法,最终得到各种方案的模拟计算结果。试验和计算结果表明,钟形进水流道的高度(喇叭管悬空高度)有一合理范围。成果对改进进水流道设计理论和方法,提高运行性能具有重要意义。
参考文献：
[1]. “附加动量”对冲式消力池的研究[D]. 陈华. 扬州大学. 2003
[2]. 低佛氏数对冲式消力池紊流水流的数值模拟[J]. 袁新明, 陈华, 王丽艳. 扬州大学学报(自然科学版). 2004
[3]. Y型宽尾墩与消力池联合消能水力特性研究[D]. 付海波. 武汉大学. 2017
[4]. 高坝消力塘水动力特性与防护结构的安全研究[D]. 杨敏. 天津大学. 2003
[5]. 反弧式跌坎底流消能工的FLUENT数值模拟研究[D]. 徐庶伟. 昆明理工大学. 2015
[6]. 圆形深筒式消力井试验及消能机理研究[D]. 王滢. 新疆农业大学. 2005
[7]. 高坝消力塘防护结构耦合动力分析与健康诊断研究[D]. 杨弘. 天津大学. 2008
[8]. 沙河水库主坝泄洪闸模型试验研究与优化[D]. 陆雯. 扬州大学. 2010
[9]. 高水头、长压力管道安全泄流消能研究[D]. 高永辉. 兰州理工大学. 2008
[10]. 大型泵站钟形进水流道叁维数值模拟与试验研究[D]. 何钟宁. 扬州大学. 2007