过渡台阶尺寸与掺气坎对联合消能工水力特性影响的实验研究

论文摘要

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能形式的广泛使用,以致在高水头、大单宽流量的泄水工况下,阶梯溢流坝面的部分台阶出现负压和掺气不足等现象,最终表现为台阶面的空蚀空化等问题,不同尺寸过渡台阶与掺气坎的组合使用可增加水流掺气而有利于减弱台阶面的空蚀空化。本文依托于国家自然科学基金,采用水工模型的方法,结合阿海电站进行比尺为1:60的物理试验,研究不同尺寸过渡台阶与掺气坎的联合作用对水力特性的影响,为宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能工的发展提供一定程度的试验依据。本文主要研究结果如下:（1）14组方案对比可知,掺气空腔长度值与过渡台阶的尺寸之间成正相关,且掺气浓度值的变化规律与掺气空腔长度值一致,随过渡台阶的尺寸增大而不断升高,最大掺气空腔长度值为16.25m,最大掺气浓度值为42%,皆出现在方案Ca。故掺气坎与过渡台阶的联合使用,在阶梯面上的掺气空腔长度值与掺气浓度值越大,掺气程度更为充分,可有效地避免台阶面的空蚀破坏。即掺气特性最优的方案为掺气坎挑角为11.3°、过渡台阶为3个2m×1.5m（高×宽）的组合形式。（2）通过对14组方案进行分析可知,过渡台阶面的最大负压出现在一个立面的1号测点,且方案Ca的1号测点负压最小,其值为-0.17kpa,故增设掺气坎、增大过渡台阶的尺寸以及掺气坎的挑角,对削减过渡台阶面的负压有益。所以,过渡台阶面负压最低的方案为掺气坎挑角为11.3°、过渡台阶为3个2m×1.5m（高×宽）的组合形式。（3）对14组方案进行分析可得,最大时均压强出现在桩号0+092.00m,而方案Ca在此桩号处的时均压强值最小为417.51kpa,因此,随着过渡台阶的尺寸与掺气坎挑角的增大,可减轻反弧段以及消力池底板的时均压强值,对于反弧段以及后续各桩号处底板的安全与稳定有利。故时均压强值最小的方案为掺气坎挑角为11.3°、过渡台阶为3个2m×1.5m（高×宽）的组合形式。（4）消力池水深最大值为47.19m,消力池内临底流速为16.13m·s-1,出现在方案Ca。因此,掺气坎角度与过渡台阶尺寸越大,消力池水深越大,临底流速越小,越有利于下泄水流在消力池内的掺混,则其消能效果相对越优。由此可知,消力池水深且最大临底流速最小的方案为掺气坎挑角为11.3°、过渡台阶为3个2m×1.5m（高×宽）的组合形式。（5）方案Ca的消能率为14组方案中最优,其值为66.71%,由此可知,增设掺气坎可提高消能效果,且掺气坎挑角与过渡台阶尺寸越大,消能率越高;因此,掺气坎挑角为11.3°、过渡台阶为3个2m×1.5m（高×宽）的组合形式为14组方案中相对最优的方案。过渡阶梯与掺气坎体型适当增大,联合消能工各方面水力特性相对更优,消能率也相对较高,对联合消能形式较为有利。故14组试验方案中,试验方案Ca为所有方案中最优,即选取掺气坎高度为1m、掺气坎挑角为11.3°以及由3个2m×1.5m（高×宽）过渡台阶组成的联合过渡形式为最佳试验方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 阶梯溢流坝研究现状
•     1.2.1 阶梯溢流坝的应用与发展
•     1.2.2 阶梯溢流坝的发展与不足
•   1.3 宽尾墩与联合消能形式的研究现状
•     1.3.1 宽尾墩的应用与发展
•     1.3.2 宽尾墩的优缺点
•     1.3.3 联合消能形式的应用与发展
•     1.3.4 联合消能形式的优势与缺陷
•   1.4 空化空蚀问题及掺气减蚀措施
•     1.4.1 空化空蚀问题
•     1.4.2 掺气减蚀措施
•   1.5 过渡台阶研究现状
•   1.6 本文的研究内容
•   1.7 本章小结
• 第二章 水工模型实验
•   2.1 工程概况
•   2.2 水工模型试验
•     2.2.1 水工模型试验设计
•     2.2.2 试验仪器与测量方法
•   2.3 技术路线
•   2.4 本章小结
• 第三章 过渡台阶尺寸对联合消能工水力特性影响分析
•   3.1 实验方案
•   3.2 不同尺寸过渡台阶对联合消能工水力特性影响分析
•     3.2.1 阶梯溢流坝面掺气特性
•     3.2.2 台阶面负压分布
•     3.2.3 沿程时均压强规律
•     3.2.4 消力池水深分析
•     3.2.5 消力池流速分析
•     3.2.6 消能率
•     3.2.7 综合分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 掺气坎+过渡台阶尺寸对联合消能工水力特性影响分析
•   4.1 8°掺气坎+过渡台阶尺寸对联合消能工水力特性影响分析
•     4.1.1 实验方案
•     4.1.2 阶梯溢流坝面掺气特性
•     4.1.3 台阶面负压分布
•     4.1.4 沿程时均压强规律
•     4.1.5 消力池水深分析
•     4.1.6 消力池流速分析
•     4.1.7 消能率
•     4.1.8 综合分析
•     4.1.9 小结
•   4.2 10°掺气坎+过渡台阶尺寸对联合消能工水力特性影响分析
•     4.2.1 实验方案
•     4.2.2 阶梯溢流坝面掺气特性
•     4.2.3 台阶面负压分布
•     4.2.4 沿程时均压强规律
•     4.2.5 消力池水深分析
•     4.2.6 消力池流速分析
•     4.2.7 消能率
•     4.2.8 综合分析
•     4.2.9 小结
•   4.3 11.3°掺气坎+过渡台阶尺寸对联合消能工水力特性影响分析
•     4.3.1 实验方案
•     4.3.2 阶梯溢流坝面掺气特性
•     4.3.3 台阶面负压分布
•     4.3.4 沿程时均压强规律
•     4.3.5 消力池水深分析
•     4.3.6 消力池流速分析
•     4.3.7 消能率
•     4.3.8 综合分析
•     4.3.9 小结
•   4.4 对比分析
•     4.4.1 实验方案
•     4.4.2 阶梯溢流坝面掺气特性
•     4.4.3 过渡台阶面负压
•     4.4.4 沿程时均压强
•     4.4.5 消力池水深
•     4.4.6 沿程流速变化
•     4.4.7 消能率
•     4.4.8 综合分析
•     4.4.9 小结
•   4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 汤建青

导师: 杨具瑞

关键词: 水工模型试验,掺气坎,过渡台阶,掺气特性,阶梯负压,消能率

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 昆明理工大学

基金: 国家自然科学基金,基金号:51569010,基金名称:阶梯溢流面与WES曲面的衔接方式对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能工水力特性的影响研究

分类号: TV135.2

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.000923

总页数: 112

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