水流冲击波和水面线在高坝泄水建筑物边界层体型设计研究中的应用

论文摘要

随着坝工理论及科技技术的发展,高坝建设日益盛行,为了满足人们日益增长的需求,坝高不断加高,高坝体型日新月异,高坝水流流态越来越难以控制,因此高坝水流流态及泄水建筑物体型的研究越来越摆在突出的位置。 在高坝枢纽布置中,泄洪建筑物选型及其布置很重要,其泄洪方式主要有:坝身泄洪和岸边泄洪。不论是坝身泄洪还是岸边泄洪,都要考虑到高速水流流体和泄水建筑物的边界层体型的关系问题。由于设计要求,泄洪建筑物多有突拐或弯道,这就不免有水流冲击波,水流冲击波会造成单宽流量分布不均匀,流态不利;在WES堰或泄洪建筑物的表孔、中孔、底孔中,其下缘体型曲线将很重要,这方面前人已经做了很多工作,但在如今的高坝设计中尚还不是很如意。如果不加以控制,对建筑物有很大的危害,轻则对建筑物的设计有不利影响,重则会产生空化、空蚀,甚至对建筑物有破坏。在泄洪洞泄洪过程中,泄洪洞顶部衬砌经常被水体剥离,进而水体渗入山体,影响整个山体的稳定。 要对水流冲击波加以控制,首先得对水流冲击波的各种水力特性等加以研究。对于收缩段的水流的水力特性,也即水流正冲击波的水力特性,前人已经有了比较成熟的认识,先有伊本等人在研究冲击波正扰动波时,提出了斜向水跃理论,较好的解决了冲击波波高和波角的计算问题,后有田士豪、方彦军等在此基础上提出了断波理论,用之以推导出的冲击波波高和波角较之斜向水跃理论有了较好的修正。但是对于水流负冲击波,也即扩散段的水流的水力特性,还没有完整的成熟的认识。本文基于前面两种理论,运用溃坝水力学的理论知识,根据其水流特性应用连续波和不连续波的性质,推导出其扩散角和扩散段水流特性的关系的方程式,较之以前有了更进一步的认识。 坝顶上游曲线的分析研究,在满足其体型设计条件的基础上引用前人研究成果中的几个客观控制点,运用合理的假定,尽量将问题简化,使所用的参数尽量少,最后推导出起合理的曲线方程,并与前人应用的比较成功的椭圆曲线相比较,得出比较满意的结果。由于实验条件原因,改变坝顶上游体型,坝顶下游曲线不便,只对坝顶下游段的压力线做了比较,得出了比较满意的结果。 泄洪洞顶部曲线体型设计研究,将其在最低点,即hc处分为两部分,AB段避开了要用流速势函数求解的难点,同坝顶上游曲线的分析研究,由于其几个控制点

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 水流冲击波的研究问题
• 1.1.2 溢流坝面的水面线研究问题
• 1.2.1.1 现有曲线的分析研究
• 1.2.1.2 椭圆曲线优化研究
• 1.2 水流冲击波研究的发展及现状
• 1.3 水面线研究的目前计算方法
• 1.3.1 自由表面的边界条件
• 1.3.2 自由表面位移特性
• 1.3.3 自由表面流态
• 1.3.4 按流线条件进行自由表面调整
• 1.4 研究的意义
• 第2章 泄水建筑物边墙型式设计研究
• 2.1 引言
• 2.1.1 斜向水跃基本理论及其推导
• 2.1.2 水流冲击波的计算
• 2.2 水流正冲击波
• 2.2.1 水流正冲击波的生成机理
• 2.2.1.1 斜向水跃理论
• 2.2.1.2 断波理论
• 2.2.1.3 两种理论成果比较和分析
• 2.2.2 收缩段的设计
• 2.3 水流负冲击波
• 2.3.1 水流负冲击波的生成机理
• 2.3.2 小结
• 2.3.3 扩散段的设计
• 2.4 冲击波的反射和干扰
• 2.4.1 冲击波的反射和干扰的基本理论及公式推导
• 2.4.2 冲击波的反射和干扰的应用
• 2.4.2.1 对称曲线边墙窄缝挑坎的体型设计方法
• 2.4.2.2 非对称窄缝挑坎的边墙曲线计算方法
• 第3章 泄水建筑物弯道水流冲击波
• 3.1 弯道水流冲击波的水流特性
• 3.2 消除弯道水流冲击波的水流特性的措施
• 3.2.1.渠底超高法
• 3.2.2 弯曲导流板法
• 3.2.3 干扰处理法
• 3.2.4 各种处理方法的处理条件
• 第4章 泄水建筑物上下缘体型设计
• 4.1 引言
• 4.1.1 空化与空蚀
• 4.2 边界条件
• 4.3 水面线自由面和体型的关系的研究
• 4.4 水工建筑物上缘体型设计
• 4.5 水工建筑物下缘体型设计
• 4.6 结语
• 第5章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录