侧向齿坎收缩式消能工的研究

收缩式消能工，基于在结构上适合窄型河道布置，在水力特性上射流水舌在纵向上的充分扩展等优势，具有较高的消能率，在水电工程中一直有很好的应用。随着我国高坝水电工程的建设，泄洪功率如溪洛渡工程已接近1亿kW，一些工程泄洪单宽流量超过300m2/s的量级，泄洪消能日益成为水电工程建设的重要问题，开发新型高效的消能工，研究其消能机理和技术仍然是工程建设所面临的重大关键技术问题。本项研究的主要方法和内容是：提出一种侧向带齿坎的收缩式消能工，通过齿坎在立面上对射流水舌的分层，增加层间水流的紊动、摩擦和掺气，提高消能率，减小对下游河道的冲刷；通过理论分析，研究消能工的结构和水力参数对分层的射流水舌形态的影响；通过物理模型试验，包括定床、动床和减压模型试验，研究具有高消能率的侧向齿坎收缩式消能工的结构体型；建立这种新型消能工的水力计算方法。本项研究对工程设计和施工运行有良好的理论和应用价值。

窄缝消能工，由于结构简单、消能率高，在高坝工程中有广泛的应用。随着我国高坝水电工程的建设，泄洪功率如溪洛渡工程已接近1亿kW，一些工程泄洪单宽流量超过300m3/s.m的量级，开发新型高效的消能工一直是水利水电工程建设面临的重要课题。.本项研究提出一种齿坎式窄缝消能工，运用理论分析和物理模型试验，对其水力特性进行了详细地研究。齿坎式窄缝消能工，在立面上对射流水舌的分层，增加层间水流的紊动，同时，由于齿坎结构的存在，增加了流动与空气的接触面积，从而增加水流的掺气能力，消能率大为提高。本项研究主要开展了四个方面的研究工作，主要包括：（1）消能工参数的设计，（2）水力特性的研究，（3）消能率研究，（4）空化性能的研究，相关成果与传统的窄缝消能工进行了对比分析和研究。.本项研究提出的齿坎式窄缝消能工，由于其参数与消能率以及相关水力特性密切相关，所以，参数的选取和特性的研究是至关重要的。这些参数主要包括：消能工的收缩率、齿坎数和齿宽等。研究表明：与传统的窄缝消能工相比，齿坎式窄缝消能工的消能率可以提高5%，初生空化数和流动阻塞佛氏数都可以明显地降低，表明这个消能工有良好的防空蚀性能和抗流动阻塞的性能。同时，研究提出了一个冲坑形态系数，用以表征冲坑的形状特征。一般而言，齿坎式窄缝消能工的冲坑形态系数大于0.5，表明这种消能工水舌冲刷下游形成的冲坑，上游面相对较缓，这对工程的安全是有利的。除了齿坎式窄缝消能工，相关收缩式结构和挑流结构，包括溢流表孔出口、有压孔口，由于其不同的佛氏数特性，他们的阻塞特性分别进行了较为系统的研究。.基于本项研究，获得了一项国家技术发明奖（二等，2012年）周培源水动力学奖（二等，2012年），授权发明专利一项，发表论文（SCI收录）7篇（6篇第一作者），培养1名博士和3名硕士研究已经毕业，另有1名博士仍然在从事该方向的研究工作。