挑跌流水垫塘高含沙水流紊动机理研究

Sediment concentration in water is high and contains a certain amount of fine particles or cohesive particles, physical characteristics and flow motion characteristics of the sediment-laden flow is different from newton fluid such as water, the flow is called as hyper-concentration flow. Along with the constructions of water conservancy projects with high head and big discharge, the turbulent structure of muddy water is affected by sediment concentration and grain composition. Considering the influence of turbulent structure in hyper-concentration flow, the hydrodynamic characteristics is different with water in plunge pool of high dam. When applying to the design of hydraulic structures, it is important to ensure the flood discharge and energy dissipation in plunge pool. So the turbulent mechanism of hyper-concentration flow in plunge pool of high dam is the important problem. The objective of the research project is to study the turbulent mechanism. By the hydraulic model test and numerical simulation, the change law of rheological property is clear in different content of sediment. In addition, according the distribution of fluctuating pressure along the floor, the influence of sediment concentration the eddy scale is determined. Discharge capacity of hyper-concentration flow is affected by sediment concentration, the study of flow coefficient provides a basis for engineering design.

水体中含沙量较高，并含有一定量细(粘)颗粒，该挟沙水流的物理特性、运动特性等与清水(牛顿流体)不同时，为高含沙水流。在高含沙河流上兴建高水头、大流量的水利工程，含沙量及颗粒级配的变化对浑水的紊动结构产生影响。考虑高含沙水流紊动结构对高坝水垫塘的水动力特性影响，并将其运用到水工建筑物的设计中去，对保证水垫塘的泄洪消能至关重要，因此高坝水垫塘高含沙水流紊动机理是亟待研究的问题。本项申请通过物理模型试验结合数值模拟进行研究，主要内容为：(1)确定不同水沙条件下高坝水垫塘中高含沙水流的流变特性变化规律；结合紊动强度分布对高坝水垫塘高含沙水流紊动机理进行分析；(2)确定脉动压力沿底板的分布规律，分析含沙量对涡旋尺度的影响及涡旋尺度在水垫塘内的演变情况；(3)研究高含沙洪水高坝泄流流量系数变化规律，确定高含沙水流泄流能力，为工程设计提供依据。

水体中含沙量较高，并含有一定量细(粘)颗粒，该挟沙水流的物理特性、运动特性等与清水(牛顿流体)不同时，为高含沙水流。在高含沙河流上兴建高水头、大流量的水利工程，含沙量及颗粒级配的变化对浑水的紊动结构产生影响。考虑高含沙水流紊动结构对高坝水垫塘的水动力特性影响，并将其运用到水工建筑物的设计中去，对保证水垫塘的泄洪消能至关重要，因此高坝水垫塘高含沙水流紊动机理是亟待研究的问题。项目研究主要内容包括：1、分析高坝挑跌流水垫塘中高含沙水流的流变特性、紊动强度变化规律以及紊动机理；2、确定高含沙水流的动水压强特性；3、研究高含沙水流条件下的射流流态以及高坝泄流能力。本课题通过开展物理模型试验进行研究，得到了以下研究成果：1、研究了高含沙水流的流变特性，分析了泥沙颗粒以及含沙量对水流紊动强度的影响，并结合紊动强度分布对高坝水垫塘高含沙水流紊动机理进行分析；2、研究了孔板过流以及挑跌流两种不同急变流在高含沙水流条件下的动水压强特性，得到了高含沙水流脉动压强的频谱特性及涡旋尺度；3、结合东庄水利枢纽工程模型，分别对表孔、中孔泄洪时的水舌形态以及水垫塘流态进行了分析，并对高含沙水流泄流能力进行了研究。