挑流水舌出射角研究

Ski jumps has been widely used in water conservancy and hydropower engineering with its simple structure and high energy dissipation. Horizontal length of jet flow would directly affect the location of jet impact point and the area of downstream scour, which are the significant index of hydraulic design. Actually, the take-off angle of jet flow is different from the geometrical take-off angle. Reasonable take-off angle would be quite important for calculation method of horizontal length of jet flow. The object of this research report is based on the research of three take-off angels of upper and lower jet trajectories with different outlets (geometrical take-off angle, virtual take-off angle, and computational take-off angle), and provides actual calculation method for horizontal length of ski jumps. On the basis of theoretical analysis and physical model experiments, the main contents and methods of this research report includes: 1) analyzing affective analysis of virtual take-off angles of both the lower and upper jet trajectories, establishing virtual take-off angles of both the lower and upper jet trajectories equations with hydraulic and structure parameters and etc; 2) analyzing by comparing virtual take-off angles of both the lower and upper jet trajectories with different outlets of flip bucket (including circular, triangle, etc.); 3) providing horizontal length of jet flow of ski jumps calculation method with take-off angles of upper and lower jet trajectories.

挑流消能工结构简单、消能率高，在水利水电工程中有广泛的应用。挑流水舌的挑距直接影响射流冲击点的位置和下游冲刷范围，是挑流消能设计中的重要指标。事实上，挑流水舌的实际出射角与消能工出口角存在较大的差异，在计算挑流消能工的挑距时，合理确定计算的出射角对挑距的计算至关重要。本项申请的目标是基于不同类型出口消能工水舌上下缘的出射角（挑坎几何结构出射角、实际水舌上下缘出射角和从实测挑距反算得到的水舌上下缘出射角）的研究，提出计算挑流消能工挑流水舌挑距的计算方法。本项申请运用理论分析和物理模型试验等方法，主要内容为：1）分析挑流水舌上下缘出射角影响因素，建立关于水力参数、结构参数等与水舌上下缘出射角关系；2）对于不同类型消能工出口（包括圆弧形和三角形等），进行水舌上下缘出射角的特性对比研究：3）提出基于水舌上下缘出射角的水舌上下缘挑距计算方法。

挑流消能由于结构简单、消能率高和施工方便，在水利水电工程中有广泛的应用。挑流消能下游冲坑的位置与其水舌挑距密切相关，在工程设计中一般要求挑距大于最大冲坑深度的3-4倍以上，是泄水建筑物运行安全的重要水力参数。对于挑流消能，挑距的大小直接影响下游回水与射流对泄水建筑物的安全性。传统经验挑距公式不考虑实际工程中的包括出射角的各种影响因素，其计算误差往往偏大，研究通过理论分析、物理模型试验和数值模拟相结合对挑流水舌出射角进行研究，主要研究内容和成果包括：.（1）通过参数敏感性分析，分析了挑流计算中挑距的各个影响因素，给出了三角形鼻坎挑距的主要影响因素；并根据物理模型试验，给出了三角形鼻坎上下缘相对流速经验表达式；根据该章表达式，上下缘挑距计算误差分别为5.1%和5.6%。.（2）本研究收集了500余组物理模型试验资料，构建了四种挑距的神经网络模型（即，BP神经网络模型、BP动量模型、共轭梯度模型和Levenberg-Marquardt模型），以此探讨了挑距的一种新的估算方法。运用本文的方法与当前常用的方法进行了比较，结果表明，神经网络计算挑距的方法相关度较高；并估算了16个具体工程的挑距，计算结果也明显优于理论公式的方法。但就本研究的四种神经网络模型而言，BPGD, BPGG 和 BPGL 较 BPM 模型更加准确。.（3）同时考虑实际出射角和出射流速的差异，根据物理模型试验分别给出了上下缘出射角的经验表达式和相对流速经验表达式，代入挑距公式计算其误差分别为7.5%和6.5%；通过与前面比较，进一步证验证了出射角变化对于挑距的影响小于流速的影响；随着Fro的增大，出射角对挑距的影响逐渐增大。.（4）根据理论分析，研究挑流鼻坎最优出射角的影响因素，给出了最优出射角计算式；对于三角形鼻坎最优出射角，其与出射流速流速、相对落差有关，出射流速越大，相对落差越大，最优出射角越小；本研究下的最优出射角范围为15 ~ 35°。