文摘

溢洪道是最重要的结构的大型水坝负责释放过度从水库泄洪。尽管许多研究已经确定执行流动特性对这些结构,然而,可用的信息冲击波特征溢洪道的设计是有限的。下面的超临界流槽墩生成一个充气流称为冲击波。由于流与槽墩的交互,三种驻波的下游码头,中间的槽,胎侧和生成。这种现象影响了流动域及其沿斜槽溢洪道水力特性。海浪的高度增加下游,槽壁和反映再次进流交互在一起了。这个过程重复和加剧下游菱形形状。这些波的高度可以深度流的两倍多,因此在胎侧运行。这是重要的设计槽壁在槽溢洪道控制盖茨。在这项研究中,实验形成的冲击波沿滑槽和他们的行为和他们的减排措施。 Experiments were conducted on a scaled physical model (1/50) of Kheirabad Dam, Water Research Institute, Iran. It was realized that apart from the geometry of piers and chute spillway, Froude number of flow and gate opening are the main effective parameters on the hydraulic performance of shockwaves’ formation and their development on gated spillways.

1。介绍

溢洪道是一个最重要的结构的高或小水坝负责卸货过度水库的洪水流量。他们流的水力特性已经引起了许多研究者的关注。这些特征是高速度、压力损失、空化概率和曝气。在这方面,一些研究调查上述问题[1- - - - - -5]。溢洪道,盖茨在安装在免费的波峰溢洪道控制头,放电,储集层体积,增加储层水平。添加这些门增加了一些新的复杂问题液压科目(6,7]。Al-Mansori et al。8)发现,随着水头,七倍设计水头,流动分离区线性增长。流量系数是研究范围广泛的比率。得出增加头比五导致增加流量系数由于弯曲嵴减少压力。杨et al。9)关注的潜在影响空气与动量交换两阶段双流体模型。最好修改为代表的拖曳力作用在气泡和墙上润滑力占壁面相交互。Samadi et al。10]和Sylvain Claire-Eleutheriane [11]研究了多元自适应回归样条函数(火星)所采用的方法作为一种新的软计算工具估算平衡冲刷深度低于自由溢流溢洪道。Khalifehei et al。12,13]研究了泥沙颗粒的稳定使用千斤顶混凝土砌块铠甲。在这方面,一般形式的运动的初期,初期的失败杰克盔甲提取基于量纲分析和粒子稳定性分析。Karalar和Cavusli14]研究旨在研究混凝土的非线性地震行为重力(CG)大坝考虑各种震中距离。为此,Boyabat CG大坝是一个最大的混凝土重力坝在土耳其被选中作为一个数值应用程序。Karalar和Cavuşli15]研究观察的时间位移和应力行为concrete-faced碎石(CFR)大坝改变了正常和剪切作用弹簧刚度的影响参数。Ilısu大坝,世界上最长的concrete-faced堆石坝,现在已经完成在2017年被选中的三维(3 d)蠕变分析。

门之间的流量系数,盖茨位置高于溢洪道、溢洪道和分离流、横向流和波浪的已知问题。这些波称为冲击波等不同的名称,横向冲击,公鸡尾巴波(16- - - - - -18]。他们的身高大于平均水平。此外,他们有一个横向速度分量。于是,冲击波的流从一边到另一边,实施一个新的水力条件的不重视。

尽管许多研究流槽溢洪道的水力特性,没有足够的知识,冲击波的形成。调查形成的冲击波流在水平矩形通道Reinaur和海格(19)表明,恒流状态的深度h0和常数码头宽度bp,波1和2的高度和宽度随着弗劳德数的增加而增加。他们还表明,波1高度只有一个函数流深度码头宽度的比值 。第一波高和波长增加弗劳德数增加。1997年,Reinaur和海格槽溢洪道继续先前的研究。他们观察到,如果深度垂直槽溢洪道进行了测量,结果将符合研究表现在水平通道(20.- - - - - -22]。1998年,他们还调查了影响斜槽侧壁收敛性和槽底坡公鸡尾巴上。他们建议一个方法减少横向波和滑槽(侧墙设计23,24]。在另一项研究中,调查在这种类型的流了驻波分析槽溢洪道(25,26]。进一步研究的冲击波流曝气槽溢洪道表明曝气强化了冲击波的部署。海浪与弗劳德数的增加变得更大(27,28]。吴et al。29日冲击波特性进行了实验研究。结果显示,侧空腔长度的比值底部空腔长度有一个占主导地位的轴承的强度公鸡尾巴。第三种类型的冲击波,段30.)开发了一种水下sloping-tail码头的深孔门槽的水电项目消除冲击波。消除的原理和建设码头冲击波进行了讨论。Reinauer和海格19,22]发现冲击波特征只取决于方法流深度码头宽度的比值在一系列的实验中进行水平通道和倾斜的降落伞。吴和严31日]和Smajdorova Noskievičova [32)调查的水力特性引起的冲击波放电的码头Sanbanxi水电站的隧道。观察到的主要原因是冲击波初始的凹面水面。基础上,一种新型的码头与底部倾斜控制的冲击波放电隧道设计(31日,33]。

冲击波是一个抛物线辊流在不同条件下发生在水工建筑物。冲击波流槽的下游码头门口发生,隧道溢洪道下游拱底部排水隧道的入口,收敛的墙壁滑槽(34,35]。码头的使用是不可避免的由于盖茨和桥梁通道位于溢洪道的波峰。经过坝顶和码头,码头的两面的超临界流碰撞并创建下游的驻波。这些波,称为码头,被称为波1在这个研究。波的形式类型1的冲击波形成基于中间桥墩位于溢洪道的数量。由于这些波之间的相互作用,形成定期菱形或其他类型的几何形状溢洪道水面(图1)。应该注意的是,虚线是冲击波形成的地方。

图1显示了计划和纵向截面示意图的冲击波流下游的对称的码头。流几何和3波形成的溢洪道所示,所有的门都开了。部分1,2,3的峰值是第一,第二,第三波,分别。中间的泄洪道,干扰波1生成一个更大的一个。在这项研究中,这新一波被称为波2(图1,部分2)。波2也在溢洪道宽度的方向移动。在下面,第二波影响降落伞的墙壁产生新一波叫做波3在这项研究中(图1,部分3)。降落伞的设计和结构暴露于这些流应该包括上述波的定量和定性识别及其不利影响溢洪道结构的性能,特别是其墙(36]。因此,识别它们的形成位置,这些波的特点,评估他们的压力场及其变化,被视为重要的水力参数设计。这些信息将协助这些结构的设计者。

研究冲击波的控制点x= 0(图1),H₀, ,和 被称为流深度、速度深度,分别和弗劳德数。流几何参数:最大流量深度H_米在最大流量、流宽度深度位置B_米,码头角波的形成α、码头宽度b_p皮尔斯的轴向距离b_一个和波位置相对于控制点x。创建一个空腔在码头的部分X= 0的初始点波1X=X_1我。根据流速、腔可能被淹没或干(图2)。在远处的X= 0X=X_1我,通过双方的码头碰撞两架飞机和生成第一种码头波浪。这波是一个辊,达到最大波高(H_1米)X_1米排除一些水飞机从主核心流。1型波的端点(X_{1 e}),核心隔绝水飞机落在一边的水填充。因为波碰撞,也由于收敛溢洪道的侧墙,1型波浪形成一波流与普通形状在泄洪道。这些形状(年底位置x_2我),形成波2型。这波是观察到的最大高度H_2米。因为海浪干扰的溢洪道以及波的横向运动2在更远的下游,波在墙上或第三波也对溢洪道的侧壁形成。类型3波的开始位置X=X_3我在墙上并达到最大高度H_3米在X=X_3米然后消失在主流X=X_{3 e}。

调查在伊朗水槽溢洪道的水力模型研究所同样确认这些问题37]。基于观察,通过每一个曝气,穿越海浪加强和增加自己的身高。因此,这些波的强度槽下游表面曝气很重要。他们需要被准确地评估和必要时减轻。Kavianpour et al。38提到的这些结果调查冲击波的纵向和横向配置文件。他们建议一个方法来减少这些波。他们还表明,冲击波流场在溢洪道是一个函数的弗劳德数,大门打开,头值溢洪道,溢洪道收敛,码头几何学。所有这些因素可以影响流场,导致不良溢洪道水力条件。图3显示了流几何,因为2,4,6中间大门打开。可以看到,流几何变得更加复杂的门的数量增加的表现。在这项研究中,冲击波流几何溢洪道,纵向和横向配置文件的三波,和静态压力冲击波流场的研究。应该注意的是,虚线是冲击波形成的地方。

在实际的大坝建设项目中,与纺锤状弯曲溢洪道,ellipse-shaped或rectangle-shaped码头是最常用的。然而,如前所述,缺乏知识溢洪道的冲击波,大多数以前的研究进行了特定的大坝建设项目,对其普遍适用性的制约。因此,有必要研究冲击波的形成和特点。本文研究冲击波形成的弯曲溢洪道和槽通道通过物理实验(范围1:50)。冲击波的公式高度斜坡槽溢洪道与纺锤形或ellipse-shaped皮尔斯也在提升。背后的冲击波码头的原因分析了斜槽溢洪道在同一时间。此外,溢洪道的冲击波的形成条件分析了在不同的闸门空缺。

2。模型描述和方法论

这项研究是进行Kheirabad大坝溢洪道的物理模型。Kheirabad大坝位于库泽斯坦省,伊朗。根据在不同的物理模型进行了理论上的研究,得出Kheirabad大坝溢洪道是最好的选择,显然是形成冲击波流条件。物理模型设计的规模1/50的伊朗水研究所。材料的线性几何缩放,弗劳德的缩放法,可能导致非常大的粘滞力,反过来导致很小的雷诺兹(重新)号码。因为大多数流在液压粗糙的原型都是动荡和政权,损失是独立的(R),流入液压弗劳德模型往往是“转移”到液压粗糙政权更好占损失。再保险的核心是高于2000时,湍流流动结构,符合原型情况,和粘性规模效应可以忽略不计。在这个模型中,雷诺数已被控制,雷诺数大于2000 (Re > 2000)。规模效应由于表面张力的力量变得很重要当水波很短或流深度更少。表面张力的影响时,必须考虑波时间小于0.35秒和水深小于20毫米39]。在目前的研究中,发现这两个波的周期和流深度相当高;因此,表面张力部队的规模效应可以忽略不计。

实验模型包括弯曲和槽溢洪道6盖茨和5码头。因为流碰撞的基地,有一只公鸡尾巴或冲击波流。实验室试验和错误获得码头部分减少冲击波的纺锤状流高度在这一节中。码头宽度2.4厘米,达到1厘米的主轴。溢洪道码头长度是33.8厘米,码头的距离是9厘米。溢洪道槽包括两个部分,一个坡度为12%,第二个4%的斜坡。溢洪道宽度在年初12%的斜率是132厘米和80厘米。在4%的坡度,这宽度是固定的值为80厘米。最后有一个翻转桶槽。由于冲击波流开发,曲折和波形流横向翻转桶(参见图可见4)。

研究发现,常规的几何波高墙上水深可达2倍。这种情况会导致胎侧槽的侵蚀。图5显示了溢洪道和形成的几何形状。溢洪道,三个最大波浪会导致液压关键条件非常重要。他们可以影响槽壁的设计。波1是明显的在后面的码头。波2是中间突出的溢出长度是斜的影响的结果和曲折流动溢洪道。波在槽壁3是明显的。图5说明了海浪的碰撞码头和创建几何在下游。图6在本地还显示3创建的最大波浪,。

介绍了三波的纵向和横向剖面变化三种不同的排放以及三个不同门开口。在第一种情况下,中间只有两个门是开放的。在第二个条件,四个中间盖茨是开放的。最后,在第三个病例,所有六门操作。

在这项研究中,流入到溢洪道的深度和速度都随着时间的改变而改变的部分开放大门。在这项研究中,盖茨的部分开放溢洪道流入的深度和速度变化。盖茨的这部分开放允许增加速度的能力,减少深度,因此适当的弗劳德数的变化。同时,给出了流场对溢洪道水压压力为6和4的两种操作模式中间的大门。他们正在分析3单独的空缺。深度计测量波高和概要文件。深度测量误差与深度计的流动条件。在光滑流没有振荡,误差为±1毫米。在振荡流的模型如冲击波,误差为±5毫米(40,41]。

在目前的研究中,基于流条件和波高变化的范围,最大测量误差为5%。一个压强计也是用来测量静压(42,43]。压强计显示流体压力作为liquid-equivalent高度。之间的控制或引用部分两个码头盖茨“o”指数。在这个控制点,流动特性、深度H_o,速度 ,和弗劳德数(Fr_o)(由于门函数)提交表中每个实验。在控制部分,实验弗劳德数从2更改为4。然而,各种各样的弗劳德数是更大的在溢洪道下游,在8 - 10的范围。

本研究计算方面的最大波浪高度有效的参数对无量纲图表的现象。在槽溢洪道,重要的变量影响最大的波高H_米包括流体体积密度ρ流体动力学粘度µ,水的表面张力系数σ,重力 ,流控制部分的深度H_o的流速控制部分 ,码头宽度b_p,码头的轴向距离b_一个,溢洪道边墙的斜率θ_w地板,溢洪道边坡θ_b。一般在冲击波的高度有效的变量的函数可以定义为

在物理模型,它是不可能改变几何参数θ_w,θ_b,b_一个,b_p。没有任何的结果,实验物理模型的变化。因此,这些参数可以从这项研究中提取的有效变量。采用白金汉的理论,表达形式的无量纲波最大高度H_米/小时₀并确保流湍流中溢出,雷诺数效应被忽略。此外,随着水高度溢洪道在实验总是大于5毫米,韦伯数效应被认为是微不足道的。所以,H_米/小时₀计算如下(44,45]:

我们可以看到,无量纲最大高度流入深度的函数H_o弗劳德数Fr和控制部分₀。在以下,无量纲形式并给出了波高的变化。

3所示。结果与讨论

3.1。纵向和横向波配置文件

在本节中,海浪的纵向和横向配置文件的操作两个中间盖茨,4年中盖茨、6盖茨了。纵向部分的方向流动。横向部分最大的波高的位置。图7显示了这个流的视图的三波的两个中间大门。在这种情况下,只有一个码头冲击波流的形成原因。

图8说明了纵向和横向配置文件为两个中间盖茨的表演。“a”曲线代表100%门开口。“b”曲线代表60%门开口。“c”曲线代表30%开的门。应该注意的是,所有测量都在纵向方向从码头的尽头。海浪的高度测量溢洪道的地板上。参数X协调溢洪道的方向。溢洪道宽度参数B是协调。根据曲线1的图8随着开放的增加,无量纲波高1减少,而其最大的位置向上游转移。波的横向变化也比较曲线2所示图8。2波,同样的趋势是明显的3和4的曲线;然而,随着波1相比,这波影响只有一小部分的溢洪道宽度。波2无量纲长度增加而减少。减少的趋势相对高度和减少波的相对距离峰值上游开放波3波5中重复。根据图6,这些波只影响墙区域,这是一个总两边溢洪道宽度的25%。

表1介绍了流动特性两个盖茨运行方式研究波1、2和3。根据表1导叶开度增加,第一波高度增加。此外,它的最大位置向上游转移。波2高度降低减少开放。导叶开度的增加,高度增加的趋势和波的右移3峰也是明显的。

图9显示了纵向和横向配置文件时,中间四门操作。在这个图中,曲线d, e, f说明100%,60%,和30%的大门打开,分别。盖茨四个中间的流动特性和波1,2,3如表所示2。

除了码头波浪的数量,所有的趋势和变化的开放模式中观察到两个盖茨也有效的开幕式4门。有三个码头波浪而不是一个码头波(根据曲线2的图9)。图10也显示了纵向和横向的六门表演。曲线“g”,“h”,和“我”都是100%,60%,和30%的空缺,分别。六个开门操作模式的流动特性和波1,2,3也在桌子上3。根据曲线2的图10,所有观察到的趋势和差异在开幕前两州也适用于6门,除了码头波的数量。五个码头波浪发生的开幕式6门。然而,码头波浪的高度与码头的增加也减少了。

我们可以看到数据8- - - - - -10弗劳德数是一个重要的参数在冲击波的波变异溢洪道。变化过程的结果,因为这三个定义,以同样的方式进行更改的弗劳德数。所以,波的峰的高度和位置,end-of-wave截面和码头波形成角改变流弗劳德数。随着弗劳德数的增加,海浪变长了,薄,波的峰值和结束部分转向更远的下游。总的来说,考虑到弗劳德数的范围在这项研究中,观察到,在six-gate操作模式下,海浪的高度1、2和3(根据表3)是最大的1.3,1.5,和1.3倍的平均深度流在同一横截面。中间的四个门操作,这些值是1.4,1.8,和1.2,分别。分别是1.5,2.3,2.5,中间的两个门的性能。此外,正如弗劳德数减少,波高增加,波长减小,码头波浪形成角增加。独立的实验来说明码头波浪形成角(α)与弗劳德数变化。图11提出了其物理结果。图11显示了两个弗劳德数Fr的结果₀= 2.07和3.1,中间桥墩状态。为Fr_o= 2.07,码头波形成角(α)是明显的;码头波1创建更大的宽度。为Fr_o= 3.1,码头波形成角(α)更小;窄波。

两个选项和增加测试和观察模型流条件下,减少冲击波流的形状,在槽不影响流的行为,最好的选择是选择下游码头模型中的形状和稳定。图12显示了码头的实际流动情况结束不同选项的流量5000立方米每秒。反复试验和观察几个不同的选项,这是观察到,通过增加码头长度和降低其最终厚度、冲击波的流的形成和不稳定的模型。这些条件也依赖于结构和执行问题。

研究建议使用pier-mounted叶片减少海浪的高度,这样流接触的点从双方的码头叶尖[19]。这种方法不是行政和合适的。改变码头几何作为本文推荐,同时适用,显著减少了冲击波的高度“流和减少墙波高减少波1高度。

图13显示了纵向的三波沿着溢洪道。在所有三个类别的波浪,变化的过程的弗劳德数相同。海浪的高度,波的峰值的位置,波的横截面,波形成的角随流弗劳德数。可以看到,随着弗劳德数的增加,波的长度增加,而其高度降低。此外,最大的结束部分波下游移动。海浪的高度取决于流深度和它们的长度取决于流速。因此,随着流的深度增加;波的高度增加。此外,随着流速的增加,波的长度增加。随着大门打开,水流深度增加而弗劳德数减少。 Consequently, the wave height increases while the wavelength decreases. The maximum end sections also move upstream. Also, by investigating the transverse sections of the waves, increasing the Froude number makes the waves narrower while the waves become wider by decreasing the Froude number. As can be seen in Figure13波2(溢洪道的中间波)远高于其他两个波。然后,一波3和一波1下一个高度。

图14显示的位置在溢洪道三波形成的计划。波2形成了一个广泛的溢洪道。3波形成的范围是非常关键的,因为墙波是一个冲击波,施加相当大的动压槽的侧壁上。相反,这些波的高度可以超过槽壁的高度。随后,波3(墙波)从设计的观点至关重要。

图15展示了海浪的最大高度的无量纲曲线1、2和3的生成及其位置的弗劳德数为2、4、6门操作。盖茨的不同的操作,所有海浪的高度和纵向坐标有一个清晰的和相对线性趋势的弗劳德数。图16还显示了波的无量纲曲线1角的弗劳德数形成。随着弗劳德数的增加,角α线性下降,使波浪尖锐和稀释剂。

3.2。水压压力

溢洪道底板水压压力分布的测量得到了最大的位置和高度下波的降落点1和2以及波3峰的位置在墙上。考虑两种模式六盖茨和四门操作,数据17和18显示三波的水压压力系数分布的三个空缺100%,60%,30%,相应的输入弗劳德数。纵轴代表了压力系数。在控制部分,压力系数是无量纲速度相对于头部的形式 。水平轴也表明纵向距离的点从码头开始。在这些曲线,从左边的点,分别的位置波的峰高和降落点1和2和峰波的位置3高度溢洪道墙上形成。

如图所示,水压压力减少的水在降落点高度减少波1相对于其最大高度。在以下,如波2高度高于波1,水压压力增加。根据图19波2分开的核心水溢洪道的峰值点。随着水位上涨,同样,在降落点,水压压力增加。流也击中溢洪道边墙强烈波3峰高的位置;水压压力达到最大值。如前所述,通过增加弗劳德数的数量和减少的百分比门开口,海浪的高度降低,海浪变长。因此,数据显示17和18,水压压力随输入弗劳德数增加。固定孔的同时,所有门性能模式,压力最大的位置波1高度高于波着陆,这是相反的波2。2波,在降落点的压力大于其最大高度位置。

4所示。结论

在盖茨的下游或桥斜槽溢洪道,超临界流产生驻波,命名冲击波或鸡尾波。冲击波的流流场的影响和对溢洪道水力条件以及赔偿溢洪道的墙壁。液压流条件包括横向和纵向分布的速度,压力,和动量,从而影响溢洪道的水力性能结构,它的结构设计,其尺寸和大小。他们研究波的三个类别1、2和3。波形成槽墙上也值得注意,因为它对设计过程的影响。

随着弗劳德数的增加,波在墙的长度变得更长,海浪波高变得更短,更薄。最大的下游波传输的结束部分。随着弗劳德数的增加,海浪波1和2变薄而得到广泛的弗劳德数减少。波2或溢洪道中产流是高于其他两个波。接下来,波3比波高1。波2是在一个广泛的溢洪道创建的。波在溢洪道墙是一个冲击波,产生明显的动压槽侧壁。在这方面,波高可以大于槽壁的高度。所有波的高度及其纵向坐标代表弗劳德数的线性趋势。波1最高而波2的变化相对于弗劳德数最小。 By reducing the opening of the gates and consequently increasing the Froude number, the piezometric pressure decreases. At a fixed opening for each of the gate performance modes, the piezometric pressure of wave 3 is higher than the rest. The piezometric pressure of wave 2 is similarly higher than wave 1.

数据可用性

所有的数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。