挑射流冲刷特性及其比尺效应研究

The downstream scour design of Ski-jump energy dissipation is a significant hydraulic problem in discharge structure in hydropower engineering, and it is related with the economics and safety of the engineering. The income flow is affected by scale, aeration, diffusion, velocity, etc., and the downstream scour is affected by depth, simulation material, diameter, etc. Therefore, the scale effect is obviously existed with the results of physical model experiments. This study is based on the geometric scale to establish a scale effect function considering the income flow condition scale, downstream channel depth scale, and simulation material scale, which can improve the similar theory of deflecting jet scour model. With the method of theoretical analysis and experimental research, this study is using the object of jet flow scour to do the systematic research. The main contents include: 1) the research on jet flow scour characteristics (including the evolution of the scour flow regimes, scour characteristics, impact factor analysis, generalized model establishment, etc.); 2) the scale effect research of jet flow scour characteristics (including the flow characteristics on different scales: geometric scale, income flow velocity scale and air concentration scale, etc., the function establishment of downstream bed characteristics on different downstream water depth scale, sand particle size scale, etc., and empirical study of jet flow, etc.). The results of this study are of great academic significance and practical value for improving the knowledge of deflecting jet scour.

挑流消能下游河道的冲刷设计，一直是水利水电工程泄水建筑物水力学的重要问题，直接关系到工程的经济和安全。由于来流受几何比尺、掺气、裂散、速度等的影响，下游河道冲刷受水深、模拟材料、床沙粒径等的影响，利用物理模型试验得到的冲刷相关成果，存在显著的比尺效应。本项研究的目标是在考虑几何比尺的基础上，建立考虑来流条件比尺、下游河道水深、模拟材料及其比尺的比尺效应函数，完善挑射流冲刷模型相似理论。运用理论分析和试验研究方法，以挑射流冲刷为研究对象，主要内容包括：（1）挑射流冲刷特性研究（包括冲坑内流态的演变、冲刷特征及其影响因素确定分析和冲刷特性概化模型的构建等）；（2）挑射流冲刷特性的比尺效应研究（包括几何比尺、流速和掺气浓度等来流特征比尺，下游水垫深度、特征床砂粒径等河床特征比尺的比尺效应函数的建立，挑射流冲刷的实证研究等）。本研究成果对于深化挑射流冲刷特性的认识，具有重要的学术意义和实用价值。

挑射流下游冲刷特性是一种复杂的现象，涉及水动力特性和下游河床特性的相互作用。由于来流受几何比尺、掺气、裂散、速度等的影响，下游河道冲刷受水深、模拟材料、床沙粒径等的影响，利用物理模型试验得到的冲刷相关成果，存在显著的比尺效应。本研究通过理论分析和无论模型试验相结合的方法对挑射流的冲刷特性及其比尺效应进行了研究，具体的研究成果如下：（1）表征射流冲刷引起的冲坑和淤积的主要影响因素为方管与竖直方向的夹角α、射流出口下缘距砂垫层的无量纲特征高度h/a、无量纲下游特征水深ht/a、和水流特征弗劳德数Fd50的 函数；（2）对于方管射流，当其它水力条件一定时，冲坑形态的剖面基本一致。最大冲坑深度、最大淤积高度以及相应的距离，都随着Fd50、和冲刷角α的增加而增加，无量纲下游水深ht/a的增加减小，且方管延长相应增加；（3）当其它水力条件一定时，无论模型的比尺怎么变化，最大冲坑深度总是随着流量的增加而增加，但随着模型的缩小，即，几何比尺的变小，最大冲坑深度与原型的误差更大，即，比尺效应更严重。下游水深对比尺效应的影响显著，小比尺时均呈现相反的规律；（4）提出了一种均匀掺气发生装置，一种挑射流动床模型试验装置和一种测量冲坑形态实时演变的方法；（5）开发了一种挑射流冲刷模型试验数据的处理平台。