低Fr水流多级消力池消能的机理研究

The multi-stage stilling pool structure can effectively improve the low Fr flow energy dissipation problem, with the advantages of high energy dissipation and save engineering quantities. Multi-stage energy dissipation pool has been widely used in engineering, but it has been short of energy dissipation mechanism theory. The research focus on energy dissipation mechanism and optimal arrangement of multi-stage energy dissipation pool, which is the frontier subject in new energy dissipation engineering research. Using large scale hydraulic model test, this study adopts two-stage or multi-stage stilling basin energy dissipater and analyze the logical relationship among the flow Fr number, upstream and downstream water level and all sizes of different stage stilling basin. Through the flow structure and turbulence characteristics of all stage of stilling basin, this study also explore the power dissipation mechanism of multi-stage stilling basin energy dissipater and analyze the energy dissipation effect of all stages of multi-stage stilling basin. By comparing the hydraulic characteristics and energy dissipation effect asmong a number of multi-stage stilling basin, the optimal arrangement type and the method of optimal placement will be proposed. This study lays a theoretical foundation for the structural design of multi-stage energy dissipation pool and provides technical support for engineering application.

多级消力池结构能够有效改善低Fr水流消能问题，具有高消能率且节省工程量的优点。多级消力池已较广泛地应用于工程中，但一直缺少消能机理理论研究。本课题开展多级消力池的消能机理及其优化布置研究，这也是新型消能工研究中具有难度和挑战性的前沿课题。采用大比尺水工模型试验，研究采用二级或多级消力池消能形式，分析来流Fr数、上下游水位和各级消力池的尺寸和尾坎高度的逻辑关系。通过研究各级消力池的水流结构和紊动特性，探索多级消力池的消能机理，并分析各级消力池的消能效果。通过对比多个多级联合消力池布置型式的水力学特性及消能效果，提出最优布置型式及优化布置方法。本研究为多级消力池结构设计奠定理论基础，也为工程应用提供技术支撑。

低Fr数水流的消能问题一直是水力学领域的难题之一。低Fr数水流易在消力池中产生波状水跃，消能效率低、跃后余能大，导致消能建筑物冲刷破坏。多级消力池结构能够有效改善低Fr水流消能问题，具有消能率高且工程量节省的优点，但一直缺少消能机理方面的研究。.项目系统地归纳分析了低Fr数水流消能的研究现状，提出了低Fr数多级消力池的定义存在的概念混淆问题。建立了概化物理模型，开展了Fr数水流单级消力池试验，进一步明确了低Fr数水流单级消力池的消能特性和存在问题。在此基础上，研究了低Fr数水流二级消力池长度、深度和尾坎高度等体型参数对消能和消波的影响，对比分析了单级和二级消力池的水力特性，揭示了二级消力池消能机理。主要取得如下成果：（1）二级消力池的长度、深度和尾坎高度等参数都存在界限值，当池底深度不在这个区间时，第一级消力池易于产生波状或远驱水跃；第二级消力池出池水面波动会显著增大，且总体消能效果差。（2）引入尾坎高度修正系数，提出了各级池长和尾坎高度的计算公式。（3）二级消力池将原单级消力池出池水面较大波动区变成了适应区，对下游尾水位的适应区间显著增加，出池水面波动更小，有效解决了单级消力池出池水面发生较大波动的问题。Fr越小，二级消力池对尾水位的适应范围提高越显著。（4）单级消力池内流线更加稀疏，流速梯度更小，消力池涡量大小明显低于二级消力池，而雷诺应力明显大于二级消力池；二级消力池内雷诺应力大小分区较单级消力池更明显，表面旋滚区明显大于底部旋滚区，水流更加稳定。（5）相对于单级消力池，二级消力池消能率明显提高，且随着尾水位的降低，提高越明显。（6）通过回归分析，得出了消能率和相对波幅与二级消力池的体型参数的计算方法。