自由跌水折坡水垫水力特性研究

发布时间：2020-06-20 01:10

【摘要】：自由跌水的水流具有明显的三维性和紊动性,水舌在跌落过程中容易对下游河床造成严重的冲刷破坏,因此自由跌水及相关问题的研究一直是国内外专家学者研究的难点和热点。本文首先对跌水相关方面的理论试验、数值模拟和水垫消能的研究现状进行了回顾和总结,针对自由跌水底板冲刷严重及消能效率低等不足,提出了折坡水垫消能的概念,并以某实际工程为背景,采用理论分析,模型试验、数值模拟的方法对折坡水垫的水力特性进行了初步的研究,本文主要的研究内容及结论如下:(1)对折坡水垫进行了多组模型试验,选择现象较为明显的试验结果,对其进行流态特性分析。发现由于坡度底板的作用,水舌入水冲击底板后往下游的冲击射流现象明显,而往上游的回水现象得到了有效的控制。随着流量的增大在水垫区内形成更加明显的大尺度回旋现象。(2)通过对有无跌坎两个模型试验流态特性分析,发现相同条件下两个模型的流态存在明显的差异。无跌坎时水舌入水均在冲击底板产生大量的气泡,并在水垫区发生剧烈的回旋翻滚现象,有跌坎时水舌入水后产生的气泡未直接冲击到底板上,大量的气泡由于底部多了一“软水垫”作用。在水垫底部产生一个凹型的气泡底面,迅速往上抬升发生剧烈翻滚现象,在水垫区形成明显的一个回旋区。(3)从折坡水垫消能机理分析入手,选择合理的消能效率计算公式进行不同工况下消能效率的计算。结果表明折坡水垫的消能效果较好,消能效率高于85%,在流量较小时其消能率高达95%左右,比无水垫情况下的消能率提高30%左右。(4)采用k~ε双方程紊流模型结合VOF模型对不同流量下折坡水垫进行数值模拟,计算结果与模型试验相吻合。通过对数值模拟计算结果分析可以发现,水垫区底板的压力及临底流速随流量的增大而增大。压力最大值出现在水舌冲击底板处和水垫区尾坎底部,且由于折坡水垫的作用下游水流平稳,最大流速为0.3 m/s。(5)对相同条件下有跌坎折坡水垫进行了数值模拟,计算结果表明有跌坎折坡水垫区域底板上的压力最大值较无跌坎折坡水垫的压力值减小20%左右,且其最大值出现在水垫尾坎底部。有跌坎情况下大量的水体的流线呈下凹型,在未达到水垫区底部便出现向上抬升的现象。水垫区底部形成一动水垫效应,大大减小了水舌对水垫区底部的冲击,临底流速大大降低,说明“软水垫”效果明显。
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV135.2
【图文】：

单级,结构示意图,消力池

控制上游渠道正常水位、流量的咽喉，能够有效维持上游正常③竖壁，即高程骤降或落差集中处的跌水墙，根据实际工程地形不同可设置为倾斜式两种。④消力池，位于竖壁下端，下游渠道的上端，主要用于削减水舌的冲击能量，，保护下游渠道。⑤出口连接段，该段与消力池相连，水流经消力池后进入出口连接段，该段主出流，使水流平稳的流入下游渠道中。单级跌水虽只作一次跌落，但是其整个跌落过程是完整的、系统的，且其结构简以单级跌水为典型对跌水的流态、流速、跌水长度、冲击压力、自由液面消能项参数进行更加深入的研究。因此，本文选择单级自由跌水进行试验研究。

结构示意图

图 1.2 多级跌水结构示意图Fig. 1.2 Schematic diagram of multi-stage drop Structure随着人们对跌水研究的不断深入，可以发现跌水的跌落过程伴随着较为复杂的，以单级自由跌水的跌落过程为例，如图 1.1 所示，其跌落过程主要涉及三个过上游水流从竖壁流出以水舌的形式与空气接触；二是水舌以射流的形式跌入下在入水处或射流冲击处卷吸气体并与入射周围水体掺混；三是射流冲击底板，成冲击射流后沿下游出流。由此可见，跌水的流况较为复杂，不仅包含多相流问及到边界突失等问题，对跌水进行较为全面的分析研究，需要结合模型试验和。因此，本文结合实际工程，以单级自由跌水为研究对象，对折坡水垫的水力了初步的研究和探讨。跌水研究现状基于跌水消能、量水和减缓流速等功能特点，跌水在农田水利、市政跌水、生计等各个工程领域的应用越来越广泛。近年来国内外大量的专家和学者对自由相关内容做了大量的科学研究和实践，丰富了跌水研究的理论知识和工程实际

【参考文献】