突扩式跌坎消力池掺气特性试验研究

作     者：张红梅 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李树宁

授予年度：2021年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：突扩式跌坎消力池 突扩比 掺气水流 掺气特性 频谱特性 

摘      要：突扩式跌坎消力池作为一种应用于高水头、大单宽流量工程的新型消能工,既对生态环境比较友好,又能显著降低消力池内部水力学指标,在国内外很多工程中得到了很好的应用。由于侧向突扩的存在,入射水流进入消力池后,流场几何形状发生突变,水流失去了两侧固体边壁的约束,在主流两侧形成了立轴漩涡,属于典型的三元混合流态,消力池内部水流结构较无突扩跌坎消力池更加复杂。基于此,本文采用理论分析和模型试验的方法对突扩式跌坎消力池掺气水流流态、掺气的分布特性和频谱特性进行了研究,旨在探究掺气水流的内部结构,为工程设计提供参考。主要研究成果及结论如下:(1)基于模型试验,研究了突扩式跌坎消力池和非突扩式跌坎消力池的掺气水流流态,得出了突扩式跌坎消力池掺气水流典型流态为水跃流叠加在射流之上,跃首被射流分裂成两部分,气泡跃移区在泄槽延长线范围内,长度较无突扩跌坎消力池有所减小,气泡悬移区长度有所增加,临底长度有所减小,突扩处为清水回流区,携带部分气泡。(2)基于模型试验,研究了无突扩跌坎消力池和突扩式跌坎消力池底板掺气浓度分布特性,得出无突扩跌坎消力池底板掺气浓度呈降峰型曲线分布,各纵向断面沿程掺气浓度分布均匀;突扩式跌坎消力池底板掺气浓度呈升峰型曲线分布,1/4中线处掺气浓度最大,1/2中线处次之,靠近边墙处掺气浓度最小。(3)基于模型试验,研究了无突扩跌坎消力池和突扩式跌坎消力池内部掺气浓度分布特性,得出顺水流方向,无突扩和突扩式跌坎消力池内部的掺气浓度均沿程衰减,最大值出现在跃首位置;在垂直水流方向,跃首各断面自消力池底部到水面掺气浓度先增加后减少,之后断面的掺气浓度呈随着高度增加而增加的规律;无突扩跌坎消力池各横断面掺气浓度分布均匀;突扩式跌坎消力池内部掺气分布呈中间高两边低。(4)基于模型试验,研究了无突扩跌坎消力池和突扩式消力池底板中线掺气的频谱特性,包括掺气脉动的幅值特性、概率密度分布特性和功率谱特性,得出无突扩和突扩式跌坎消力池底板掺气脉动呈明显偏态分布,掺气脉动能量具有明显的低频特征,能量主要集中在0～20Hz,优势频率在5Hz以内。