分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用水力特性的研究

摘要

总结了台阶式溢洪道的研究现状,提出用分流齿墩掺气设施给台阶式溢洪道掺气,研究了分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的水力特性。
　　 通过物理模型试验,研究了分流齿墩掺气设施的体型、设置位置、水流流态、射距和墩头压强特性;研究了分流齿墩下游台阶式溢洪道的水流流态、边墙水面线,最大压强冲击区域、台阶水平面、竖直面和沿程压强分布规律,台阶上的掺气浓度沿断面和沿程分布规律,分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的消能效果。
　　 试验结果表明,当水平掺气坎坡比为1:6.67,侧墙掺气坎坡比为1:11.76,收缩比为0.172,墩前未扰动断面佛劳德数为2.16～4.73时能满足滑行水流流态。
　　 齿墩采用掺气分流墩墩头,墩头对水流有分割和梳齿作用,加剧了水流破碎,增进了掺气和消能效果,但同时也使得溢洪道边墙出现了水翅。试验表明,在设计水位以下,溢洪道边墙水翅较小,大于设计水位时,水翅高度增加。给出了水舌最大、最小射距和边墙水面线的计算公式。
　　 齿墩迎水面压强略小于测点以上总水头;侧面在01=45°时出现负压,在切点附近负压最大,切点以后负压减小并趋于平稳,但齿墩属于超空化,不会发生空蚀破坏。在墩头顶部,水流亦发生分离,是否空蚀有待进一步研究。
　　 在水舌冲击区域,压强较大;在冲击区域以后,压强分布规律与单纯台阶式溢洪道相同。在台阶水平面,当xlb=0.3时出现压强极小值,当x/b=0.83时出现压强最大值,在凸角附近,压强有所减小。在台阶竖直面,当y/a=0.5时出现压强极小值,在y/a=0.5～0.75处压强回升后又有所减小,在凸角下缘出现负压。水平面和竖直面压强沿程分布呈大小交替出现。
　　 台阶式溢洪道上的水流掺气浓度随坡度和佛劳德数的增大而增大,随通过分流齿墩掺气设施的水流流态不同而有所区别。当为齿墩流态时,水流掺气分为底部掺气区、楔形清水区、掺气发展区和充分掺气区。
　　 沿程掺气浓度分布在Li/Ls=0.3以前较大,随后掺气浓度急剧下降;在Li/Ls=0.5～0.7以后,掺气浓度趋于平稳。当坡度为51.3°时,台阶式溢洪道上最小掺气浓度为6.92％,当坡度为30°时,台阶断面最小掺气浓度为2％。
　　 分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的消能效果大于水平掺气坎和单纯台阶式溢洪道,是一种消能效果好、掺气充分的消能设施。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1.1 台阶式溢洪道的研究背景与意义

1.2 台阶式溢洪道水力特性的研究进展

1.2.1 台阶式溢洪道水流流态的研究

1.2.2 台阶式溢洪道水面线的研究

1.2.3 本文对台阶式溢洪道水面线的研究

1.2.4 台阶式溢洪道压强特性的研究

1.2.5 台阶式溢洪道自掺气特性的研究

1.2.6 台阶式溢洪道的消能效果

1.2.7 台阶式溢洪道与其它消能工联合应用

1.2.8 台阶式溢洪道研究存在的主要问题

1.3 主要研究内容

1.4 研究方案和技术路线

1.5 课题的主要难点及采取解决方案

1.6 预期研究成果

1.7 本章小结

2 试验模型和测量仪器

2.1 试验模型

2.2 测量仪器

3 分流齿墩掺气设施体型的确定

3.1 分流齿墩掺气设施的组成及作用

3.2 分流齿墩掺气设施的位置

3.3 水平掺气坎的高度

3.4 侧墙掺气坎的高度

3.5 分流齿墩形状、宽度、收缩比和高度的确定

3.5.1 齿墩墩头形状的确定

3.5.2 齿墩宽度的确定

3.5.3 分流齿墩掺气设施收缩比的确定

3.5.4 齿墩高度的确定

3.6 本章小结

4 水流流态和水面线

4.1 分流齿墩掺气设施的出射水流流态

4.2 台阶式溢洪道上的水流流态

4.3 分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的水面线

4.3.1 分流齿墩墩前水面线

4.3.2 齿墩设施的抛射水流

4.3.3 台阶式溢洪道边墙水面线

4.4 本章小结

5 压强分布

5.1 齿墩墩头动水压强特性

5.1.1 齿墩墩头压强测点布置

5.1.2 齿墩墩头时均压强沿墩高分布

5.1.3 墩头时均压强系数沿横断面分布

5.2 台阶式溢洪道压强分布规律

5.2.1 台阶段压强测点的布置

5.2.2 水舌冲击区压强分布

5.2.3 台阶式溢洪道的压强分布

5.3 本章小结

6 掺气浓度分布

6.1 掺气现象

6.2 台阶式溢洪道上的掺气浓度

6.2.1 掺气测量断面

6.2.2 断面掺气浓度分布

6.2.3 沿程掺气浓度分布

6.3 本章小结

7 消能效果

7.1 消能机理

7.2 收缩断面水深和流速系数

7.3 消能率

7.4 本章小结

8 分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用设计方法

9 结论和建议

致谢

参考文献

附录