西北旱区生态水利学术著作丛书 台阶式溢洪道水力特性的研究
作者：张志昌
出版时间：2018年版
丛编项： 西北旱区生态水利学术著作丛书
内容简介
本书是台阶式溢洪道水力特性的系列研究成果总结。通过模型试验和数值模拟研究单纯台阶式溢洪道的水流流态、掺气发生点的判断方法、台阶上掺气与未掺气水流水面线的计算方法、压强分布规律、掺气浓度分布规律、流速场、紊动能、紊动耗散率和消能效果；研究台阶式溢洪道与掺气挑坎联合应用、台阶式溢洪道与分流齿墩掺气设施联合应用的水力特性，包括掺气挑坎和分流齿墩的体型、设置位置、分流齿墩的收缩比、水舌空腔长度、掺气交汇点的位置，水面线的计算方法、墩头和台阶上的动水压强分布、台阶上的掺气浓度分布、流速分布、水流的紊动特性和消能。通过模型试验研究掺气分流墩设施的收缩比、墩头动水压强特性、设施的掺气特性、水舌扩散特性以及掺气分流墩与消力池联合应用消力池的水流流态、水面线、动水压强分布规律和消能效果。
目录
目录
总序一
总序二
总序三
前言
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