跌坎型底流消能工水流流动结构水力特性研究

跌坎型底流消能工是在传统的底流消能工消力池的前端增加一跌坎而形成。由于坎的存在，形成水垫，增加了周围为消能水体的主射流射程，能保证较高消能率的同时降低水力学指标，从而扩大跌坎型底流消能工适用范围。跌坎型底流消能工流动结构复杂，主要有淹没射流、坎后旋涡、冲击射流、附壁射流和大尺度旋涡等流动结构，这些流动结构是相互伴生相互作用的，研究流动结构相互伴生、相互作用的内在必然和不同流动结构相互作用下对建筑物表面的作用机理以及消能机理，该问题的揭示将为冲击、空化气蚀破坏地深入研究奠定坚实基础。不同流动结构相互作用下建筑物表面受流体造成的冲击、空化气蚀破坏是先局部后整体破坏的发展过程，单一流动结构作用和不同流动结构相互作用的极端不利情况是建筑物局部破坏的根本原因，因此，研究流动结构及其相互作用的水力特性是解决建筑物冲击、空化气蚀破坏的关键。

本项目研究主要通过水工模型试验和数值仿真对跌坎型底流消能工水流流动结构开展研究，主要研究淹没射流、坎后旋涡、冲击射流、附壁射流和大尺度旋涡等流动结构相互伴生、相互作用和不同水流流动结构相互作用下对建筑物表面的作用机理以及消能机理；研究流动结构气体扩散迁移运动机理，以跌坎型底流消能工水流流动结构、不同水流流动结构的水力特性、利用紊流模型，建立入流条件、跌坎高度和下游水深数值模拟为研究技术路线的研究过程。首先，研究了跌坎型底流消能工流动结构分区和定义，形成结构分区示意图和分区特征点的确定，对各区的流态进行描述，实测再附点和冲击点随机沿底板变化，实测冲击过程，建立不同流动结构相互作用的荷载关系；其次，对各流动结构各区的流态和水力特性开展研究，给出了淹没射流区、坎后旋涡区、冲击射流区、附壁射流区在不同入射角、跌坎深度、尾坎条件下的临底流速、动水压力的变化规律，并研究给出流动结构相互作用下气体扩散迁移运动机理及分布规律，为深入研究水工建筑物边界产生汽蚀破坏机理提供支持；根据紊动射流理论，将二维射流作用于地板上的时均压强进行量纲归一化处理，对冲击区推导出时均动水压力值的计算公式；利用射流理论推导出控制底板临底流速、时均动水压力值跌坎坎深的确定方法和计算公式，以此控制底板临底流速、时均动水压力值跌坎坎深的确定方法，解决了两个水利工程的泄洪消能问题。形成一套跌坎型底流消能工水流流动理论、构建数学模型，结合紊流数学模型对部分试验工况进行数值模拟，提出一套工程设计方法。该项研究成果成功解决云南省楚雄州武定县、永仁县的仁和水库溢洪道泄洪消能问题和直苴水库泄洪洞消能问题。本项目完成了研究计划，新增了研究内容，执行情况较好。研究方法及成果对水流流动结构的进一步研究和应用具有重要的参考和指导意义。