低佛氏数水跃紊流结构及典型消能工优化的试验研究

摘要

低佛氏数水跃的消能防冲是低水头引水工程的一个普遍水力学问题，其特点是水跃消能率低，下游存在较大波浪，不仅淘刷岸坡、影响工程的运行，而且对下游河床冲刷严重。如何有效的解决低水头、低佛氏数水跃的消能防冲问题是当今低水头引水工程广泛存在的工程难题。为了解决低佛氏数水跃的消能问题，克服低佛氏数水跃的波动，增强低佛氏数水跃的消能率，有必要对辅助消能工的优化布置进行研究，进而提高低佛氏数水跃的消能率。 本文以低佛氏数水跃为研究对象，在试验室建立水工水力学物理模型，通过试验研究低佛氏数水跃的水力特性、紊流结构及其消能机理，总结消能规律。在理论研究的基础上，结合湘江某低水头泄水建筑物，研究其辅助消能工的消能效果并进行优化布置，从而达到提高消能率的目的。 本文研究了Fr1在2～4.5间低佛氏数水跃的跃前水深、水跃长度、水面线及其流速分布等水力特性；对水跃的消能率进行计算，得到低佛氏数水跃的消能规律；并通过研究其雷诺应力、紊动能及紊动强度的变化规律，总结消能机理，为优化布置消能工提供理论依据。根据对低水头泄水建筑物消能工优化布置的研究，认为消能工使水跃紊流的水体内部结构产生改变，提高了消能效果。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究的目的与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1低佛氏数水跃水力特性国内外研究现状

1.2.2低佛氏数水跃水流的紊动特性国内外研究现状

1.2.3低佛氏数辅助消能工研究现状

1.3本文的主要研究内容和方法

1.3.1本文研究的主要内容

1.3.2研究方法

第二章低佛氏数水跃试验方案研究设计

2.1试验的目的与任务

2.2物理模型的制作与布置

2.3量测仪器及量测方法

2.3.1量测仪器

2.3.2声学多普勒测速仪(NDV)测速技术

2.3.3试验量测方法

2.4研究方案及参数确定

2.4.1研究方案

2.4.2试验参数

第三章低佛氏数水跃水力特性的试验研究

3.1低佛氏数水跃水力特性的研究内容

3.2试验研究成果及分析

3.2.1闸门开度与跃前水深的关系问题

3.2.2水跃的共轭水深比

3.2.3水跃的长度

3.2.4水跃的水面线形状

3.3下游水流的流速分布

3.3.1底流速分布系数

3.3.2动能修正系数

3.3.3水流重心指数

3.4垂线上水平流速沿水深分布

3.4.1水跃区时均流速垂线分布

3.4.2跃后区时均流速垂线分布

3.4.3不同佛氏数下时均流速垂线分布

3.5水跃消能率计算

3.5.1水跃消能的概念及计算

3.5.2结果分析

3.6本章小结

第四章低佛氏数水跃紊流结构及消能机理的研究

4.1水跃紊流结构的特征

4.2低佛氏数水跃后水流的雷诺应力分布规律

4.2.1跃后区雷诺应力垂线分布

4.2.2不同佛氏数下雷诺应力垂线分布

4.3低佛氏数水跃后水流的紊动能及紊动强度

4.3.1紊动能随距离、佛氏数的变化规律

4.3.2下游的较大紊动能分析

4.3.3水流紊动强度随距离的分布

4.3.4紊动强度与佛氏数的关系

4.3.5紊动动能的沿程分布

4.4低佛氏数水跃消能机理

4.5本章小结

第五章低佛氏数水跃典型消能工优化的试验研究

5.1辅助消能工布置原理

5.2辅助消能工介绍

5.3消能率计算

5.4辅助消能工优化布置研究

5.4.1原设计方案泄水闸的消能设施布置

5.4.2改进消能设施方案Ⅰ消能设施布置

5.4.3改进消能设施方案Ⅱ消能设施布置

5.5消能设施布置效果分析

5.6本章小结

第六章结论与展望

6.1本文的主要结论

6.2有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

附录