趾墩-梯形墩联合消能工水力特性

doi:10.11988/ckyyb.20230934

新澳门游戏网站入口院报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (1): 120-128.DOI: 10.11988/ckyyb.20230934

趾墩-梯形墩联合消能工水力特性

赵乾¹^,²(), 牧振伟¹^,²(), 周凯¹^,², 高尚³, 张红红¹^,²

¹ 新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052
² 新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室,乌鲁木齐 830052
³ 新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000

收稿日期:2023-08-28 修回日期:2023-12-12 出版日期:2025-01-01 发布日期:2025-01-01
通信作者:
牧振伟(1973-),男,河南南阳人,教授,硕士,博士生导师,研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:xjmzw@163.com
作者简介:
赵乾(1993-),男,山西大同人,硕士研究生,研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:1519731619@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52269019); 新疆维吾尔自治区高校科研计划创新团队项目(XJEDU2017T004)

Hydraulic Characteristics of Chute Block-Trapezoidal Block Joint Dissipator

ZHAO Qian¹^,²(), MU Zhen-wei¹^,²(), ZHOU Kai¹^,², GAO Shang³, ZHANG Hong-hong¹^,²

¹ College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
² Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention, Urumqi 830052,China
³ Water Conservancy and Hydropower Survey Design and Research Institute of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830000, China

Received:2023-08-28 Revised:2023-12-12 Published:2025-01-01 Online:2025-01-01

摘要/Abstract

摘要：

针对原消力池流态紊乱、水面波动大,形成的远驱式水跃对护坦造成冲刷破坏等问题,采取趾墩-梯形墩联合消能的方式,对水力特性展开研究。通过模型试验结合数值模拟方法,研究了不同流量下的消能变化规律,分析了水流能量转化过程,计算了流速减速比。结果表明:趾墩-梯形墩联合消能工,当双排梯形墩交错布置时,在3种流量工况下,减速比分别为60.00%、75.34%、73.75%,相较原消力池,跃长依次缩减11.29%、14.17%、10.22%。按照消能方式可分为4个区域:收缩分流区、水跃旋滚区、两侧漩涡区和跃后主流区。该研究可为联合消能工设计及消力池体型优化提供参考依据。

关键词: 消力池, 水力特性, 水跃, 趾墩-梯形墩, 消能

Abstract:

This study aims to address the turbulent flow patterns and significant water surface fluctuations in the original stilling basin, which lead to the formation of repelled downstream hydraulic jumps and subsequent scouring damage to the apron slab. To mitigate these problems, a combined chute block and trapezoidal block energy dissipator is employed, and the hydraulic characteristics of this dissipator are investigated. Physical model testing and numerical simulation techniques are combined to study the energy dissipation behavior under various flow rates. The energy conversion processes within the flow are analyzed, and flow velocity reduction ratios are calculated to assess the effectiveness of the dissipator. Findings indicate that, for the chute block-trapezoidal block joint dissipator with double rows of trapezoidal blocks arranged in a staggered manner, the velocity reduction ratios at three different flow rates are 60.00%, 75.34%, and 73.75%, respectively. Compared to the original stilling basin, this arrangement reduces the length of the hydraulic jump by 11.29%, 14.17%, and 10.22% across the respective flow rates. The energy dissipation mechanism is categorized into four distinct zones: the flow contraction and diversion area, the hydraulic jump swirl area, the vortex areas on both sides, and the post-jump mainstream area. The findings provide a valuable reference for the design of joint dissipators and the optimization of stilling basins.

Key words: stilling basin, hydraulic characteristics, hydraulic jump, chute block - trapezoidal block, energy dissipation

中图分类号:

TV131.6水工试验

赵乾, 牧振伟, 周凯, 高尚, 张红红. 趾墩-梯形墩联合消能工水力特性[J]. 新澳门游戏网站入口院报, 2025, 42(1): 120-128.

ZHAO Qian, MU Zhen-wei, ZHOU Kai, GAO Shang, ZHANG Hong-hong. Hydraulic Characteristics of Chute Block-Trapezoidal Block Joint Dissipator[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025, 42(1): 120-128.

图/表 17

图1 消力池尺寸及测点布置

Fig.1 Dimensions of stilling basin and arrangement of measurement points

表1 不同消能工布置方案

Table 1 Different energy dissipator layouts

表2 各方案参数对比(Fr=5.22)

Table 2 Comparison of parameters across different layouts (Fr=5.22)

方案	跃长		跃后流速/(m·s^-1)		消能率/%
方案	模型/cm	原型/m	模型	原型	消能率/%
原消力池	63.5	45.28	0.63	5.32	76.84
1	59.0	42.07	0.82	6.92	78.59
2	58.0	41.35	0.41	3.46	79.26
3	57.5	41.00	0.22	1.86	79.80
4	58.0	41.35	0.19	1.60	80.40
5	55.0	39.22	0.26	2.20	81.01
6	55.0	39.22	0.23	1.94	80.78
7	56.0	39.93	0.23	1.94	80.25
8	56.0	39.93	0.24	2.03	79.99
9	57.0	40.64	0.24	2.03	79.70
10	54.5	38.85	0.18	1.52	80.30
11	55.5	39.57	0.23	1.94	79.94
12	57.0	40.64	0.21	1.77	78.95
13	55.6	39.64	0.24	2.03	79.45
14	56.5	40.28	0.18	1.52	79.41

表3 各流量下水力特性参数对比

Table 3 Comparison of hydraulic characteristic parameters at various flow rates

方案	跃长		流量		Fr	消能率/%
方案	模型/ cm	原型/ m	模型/ ( L·s^-1)	原型/ (m³·s^-1)	Fr	消能率/%
原消力池	55.8	39.78	4.36	187.16	3.58	74.46
6	52.0	37.07				74.31
10	49.5	32.29				75.16
14	49.0	34.93				72.92
原消力池	63.5	42.28	5.49	235.67	5.22	76.84
6	55.0	39.22				80.78
10	54.5	38.85				80.30
14	56.5	40.28				79.41
原消力池	68.5	48.84	5.94	254.98	5.88	82.19
6	66.0	47.06				82.64
10	61.5	43.85				82.76
14	62.0	44.21				82.32

图2 趾墩-梯形墩模型布置

Fig.2 Arrangement of chute block-trapezoidal block model

图3 模型试验流态(Fr=5.22)

Fig.3 Flow regime in model test (Fr=5.22)

图4 模型试验流态(Fr=5.88)

Fig.4 Flow regime in model test (Fr=5.88)

图5 流速分布

Fig.5 Flow velocity distribution

表4 梯形墩位置优化后试验结果

Table 4 Test results after optimizing trapezoidal block location

位置	跃长		跃前断面距消力池进口距离		消能率/%	Fr
位置	模型/cm	原型/m	模型/cm	原型/m	消能率/%	Fr
0.25L	53.00	37.79	15.00	10.70	80.32
0.35L	54.50	38.85	13.00	9.27	80.30	5.22
0.45L	58.00	41.35	10.00	7.13	80.02

表5 梯形墩排间距优化试验方案

Table 5 Test schemes of optimizing the row spacing of trapezoidal blocks

位置	跃长		跃前断面距消力池进口距离		消能率/%	Fr
位置	模型/cm	原型/m	模型/cm	原型/m	消能率/%	Fr
0.06L	52.50	37.43	16.00	11.41	80.29
0.09L	53.00	37.79	16.00	11.41	79.35	5.22
0.12L	53.00	37.79	15.00	10.70	80.32

图6 水流分区

Fig.6 Water flow zoning

图7 水流能量转化过程

Fig.7 Water flow energy conversion

图8 数值模型网格示意图

Fig.8 Numerical model grids

图9 模型试验与数值模拟水面线对比

Fig.9 Comparison of water surface line between physical model and numerical simulation

图10 流速验证

Fig.10 Flow velocity verification

图11 中轴横断面湍动能等值线分布

Fig.11 Contours of turbulent kinetic energy in the axial cross-section

图12 Fr=5.88压强分布

Fig.12 Pressure distribution (Fr=5.88)

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Hydraulic Characteristics of Chute Block-Trapezoidal Block Joint Dissipator

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