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第1章 台阶式溢洪道水力特性的研究现状和问题1

1.1台阶式溢洪道的研究现状1

1.2台阶式溢洪道研究的主要问题6

参考文献7

第2章 台阶式溢洪道水力特性的试验研究9

2.1台阶式溢洪道的水流流态9

2.2台阶式溢洪道的试验模型12

2.3台阶式溢洪道水面线和掺气分布规律的研究14

2.3.1台阶式溢洪道非掺气水流水面线的研究现状14

2.3.2台阶式溢洪道非掺气水流水面线新的计算方法15

2.3.3台阶式溢洪道全流程水面线的计算17

2.3.4台阶式溢洪道掺气水流水面线和掺气浓度的研究22

2.4台阶式溢洪道的压强分布规律33

2.4.1台阶式溢洪道压强分布规律的研究现状33

2.4.2台阶式溢洪道压强分布规律的试验研究36

2.5台阶式溢洪道消能效果的研究50

2.5.1滑行水流消能率的计算公式50

2.5.2台阶式溢洪道跌落水流和滑行水流消能率的统一公式54

参考文献55

第3章 台阶式溢洪道水力特性的数值模拟58

3.1数值模拟在台阶式溢洪道上的应用状况和计算模型58

3.1.1数值模拟在台阶式溢洪道上的应用状况58

3.1.2计算模型60

3.2紊流数值模拟理论及数值方法61

3.2.1基本控制方程的建立61

3.2.2紊流模型62

3.2.3自由水面的确定62

3.2.4计算模型的网格划分63

3.2.5边界条件的处理64

3.3台阶式溢洪道的水面线及水流流态65

3.3.1不同时刻的自由水面线65

3.3.2单个台阶上的水流流态66

3.3.3不同工况下的自由水面线67

3.4计算结果与试验结果的对比70

3.5台阶式溢洪道压强场的研究71

3.5.1台阶式溢洪道的压强等值线分布71

3.5.2台阶内的压强分布规律75

3.6台阶式溢洪道的流速场88

3.7台阶式溢洪道消能率的研究91

3.7.1溢洪道坝面紊动能和紊动耗散率的分布规律91

3.7.2台阶式溢洪道台阶内紊动能和紊动耗散率的分布规律94

3.7.3台阶式溢洪道的消能率94

参考文献96

第4章 台阶式溢洪道与掺气挑坎联合应用水力特性的试验研究97

4.1试验模型97

4.2设掺气挑坎后台阶式溢洪道的水流流态99

4.3设掺气挑坎后台阶式溢洪道的水面线101

4.4设掺气挑坎后台阶式溢洪道的相对时均压强分布103

4.4.1台阶水平面的相对时均压强分布103

4.4.2台阶竖直面的相对时均压强分布108

4.4.3台阶水平面的相对时均压强沿程分布112

4.4.4台阶竖直面的相对时均压强沿程分布117

4.4.5脉动压强测点布置121

4.4.6台阶水平面脉动压强分布121

4.5设掺气挑坎后台阶式溢洪道的水流掺气浓度125

4.5.1设掺气挑坎后台阶式溢洪道的水流掺气现象125

4.5.2空腔长度的确定125

4.5.3设掺气挑坎情况下掺气交汇点位置的确定128

4.5.4设掺气挑坎情况下通气孔通气量的确定128

4.5.5设掺气挑坎情况下台阶式溢洪道掺气浓度分布130

4.5.6增加台阶式溢洪道掺气浓度的措施137

4.6设掺气挑坎后台阶式溢洪道的消能138

4.7掺气挑坎与台阶式溢洪道联合应用的其他研究成果138

参考文献141

第5章 台阶式溢洪道与掺气挑坎联合应用水力特性的数值模拟142

5.1计算模型142

5.2紊流模型及控制方程143

5.3带有掺气挑坎的台阶式溢洪道的三维数值模拟144

5.3.1划分计算网格144

5.3.2选择计算模型及求解器类型144

5.3.3设定边界条件145

5.3.4流场初始条件145

5.3.5求解计算145

5.4三维数值模拟计算结果与分析145

5.4.1台阶式溢洪道不同时刻的自由水面线145

5.4.2台阶式溢洪道的水流流态146

5.4.3计算结果与试验结果的对比148

5.5台阶式溢洪道的流速场151

5.5.1流速矢量分布151

5.5.2流速等值线分布153

5.5.3断面流速分布156

5.5.4台阶式溢洪道的边界层发展158

5.6台阶式溢洪道的压强场159

5.6.1台阶式溢洪道压强等值线分布159

5.6.2单个台阶水平面的压强分布161

5.6.3单个台阶竖直面压强测点布置165

5.6.4单个台阶竖直面压强分布165

5.6.5台阶水平面压强的沿程分布169

5.6.6台阶竖直面压强的沿程分布171

5.7台阶式溢洪道的消能173

5.7.1单个台阶紊动能和紊动耗散率的分布规律173

5.7.2紊动能和紊动耗散率的沿程分布规律176

5.7.3溢洪道的消能率177

5.7.4掺气挑坎的空腔长度和通气量178

参考文献179

第6章 掺气分流墩设施水力特性的试验研究180

6.1掺气分流墩设施的体型和特点180

6.1.1掺气分流墩设施的体型180

6.1.2掺气分流墩设施的特点181

6.2掺气分流墩设施的原型观测和应用182

6.3掺气分流墩设施收缩比的研究184

6.3.1试验模型184

6.3.2收缩比对水舌挑距的影响185

6.3.3收缩比对消力池压强特性的影响189

6.3.4收缩比对消能效果的影响190

6.4掺气分流墩墩头壁压特性的研究191

6.4.1墩头时均压强特性191

6.4.2墩头脉动压强特性197

6.4.3墩头频谱特性和振动特性199

6.4.4墩头的空化特性199

6.5掺气分流墩水舌的掺气特性200

6.5.1试验模型200

6.5.2量纲分析201

6.5.3水舌断面含水浓度分布的特点202

6.5.4断面最大含水浓度的沿程变化203

6.5.5断面平均含水浓度的沿程变化204

6.5.6不掺气核心区的长度205

6.5.7水舌沿横向掺气浓度的变化206

6.5.8掺气分流墩水舌与普通二元水舌沿程断面掺气浓度的比较207

6.6掺气分流墩设施的消能量208

6.7分流齿墩设施简介210

6.7.1试验条件和试验模型210

6.7.2影响分流齿墩设施消能效果因素分析211

参考文献215

第7章 台阶式溢洪道与分流齿墩掺气设施联合应用水力特性的试验研究216

7.1试验模型216

7.2分流齿墩掺气设施体型的确定217

7.2.1分流齿墩掺气设施的组成及作用217

7.2.2分流齿墩掺气设施的位置218

7.2.3水平掺气坎的高度218

7.2.4侧墙掺气坎的高度220

7.2.5分流齿墩形状、宽度、收缩比和高度的确定220

7.3水流流态和水面线223

7.3.1分流齿墩掺气设施的出射水流流态223

7.3.2台阶式溢洪道上的水流流态224

7.3.3分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的水面线225

7.3.4台阶式溢洪道边墙水面线227

7.4压强分布228

7.4.1齿墩墩头动水压强测点布置228

7.4.2齿墩墩头时均压强沿墩高分布229

7.4.3台阶式溢洪道水舌冲击区压强分布规律234

7.4.4台阶式溢洪道的压强分布237

7.5台阶上的掺气浓度分布251

7.5.1掺气现象251

7.5.2台阶式溢洪道上的掺气浓度252

7.6分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的消能效果266

7.6.1消能机理266

7.6.2收缩断面水深和流速系数266

7.6.3消能率267

7.7分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的设计方法268

参考文献278

第8章 台阶式溢洪道与分流齿墩掺气设施联合应用水力特性的数值模拟279

8.1计算模型的建立279

8.1.1计算模型279

8.1.2计算模型的网格划分280

8.1.3边界条件的处理281

8.1.4求解器的设置281

8.2分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的水流流态282

8.2.1台阶式溢洪道的水流流态282

8.2.2水舌最大和最小挑距284

8.2.3台阶式溢洪道的水面线285

8.3台阶式溢洪道的速度场287

8.3.1台阶式溢洪道上的流速等值线分布287

8.3.2台阶断面流速分布289

8.4台阶式溢洪道的压强场291

8.4.1分流齿墩墩头的压强测点布置291

8.4.2分流齿墩墩头迎水面相对时均压强沿墩高分布292

8.4.3墩头侧面相对时均压强沿墩高分布293

8.4.4墩头时均压强系数沿横断面分布294

8.4.5墩头顶部压强分布296

8.4.6台阶式溢洪道上相对时均压强分布298

8.5消能效果306

8.5.1紊动能和紊动耗散率306

8.5.2消能率311

参考文献312

第9章 掺气分流墩设施与消力池联合应用水力特性的研究313

9.1试验模型和试验条件313

9.2水舌扩散的试验研究314

9.2.1水舌最大射距的理论分析314

9.2.2掺气分流墩水舌射距计算315

9.2.3最大射距计算方法在其他挑流消能工中的应用318

9.3消力池的压强特性319

9.3.1消力池压强系数分析319

9.3.2消力池时均压强分布320

9.3.3消力池底板脉动压强特性323

9.3.4脉动压强的功率谱324

9.3.5消力池下游水深的控制325

9.4消力池的水流流态以及水跃特性325

9.4.1消力池水流流态325

9.4.2消力池水面线326

9.4.3临界水跃跃后水深和水跃长度327

9.4.4淹没水跃条件下跃后水深与水跃长度327

9.5消力池水力特性研究328

9.5.1消力池体型的确定328

9.5.2消力池相对时均压强特性331

9.5.3消力池脉动压强分布333

9.5.4消力池水面线的比较334

9.5.5消力池水跃长度的比较336

9.6掺气分流墩设施的消能效果337

9.6.1不设掺气分流墩设施时消力池水深和水跃长度的计算337

9.6.2掺气分流墩设施与普通二元跌落水流消能效果的比较337

参考文献340