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明渠岸边横向取水的三维水力特性及简易防沙措施试验研究

曹继文  
【摘要】:明渠岸边横向引水是被广泛采用的一种取水方式。本项研究是在前人研究基础上,通过对取水口水域的详尽三维流速量测,对这种带有普遍意义的取水水流结构进行深入分析,旨在进一步揭示出其特有水力特性,与此同时进行相应数值模拟,检验实测资料,扩大试验参数范围。 明了明渠横向取水的水流结构及泥沙输移特点,以“挡”、“导”为主要指导思想,从改进取水口门及近区的流速场出发,提出了有针对性的防沙工程措施,以引用于工程设计。 综合试验、数值模拟和理论分析的研究成果,可概括以下几方面: 1.取水口口门水流结构及水力特性 ● 口门的流速分布具有明显的三维特性,其分布远非均匀,最大影响因素是分流流速比η;提出均匀度P_u作为预测口门断面流速分布均匀性的定量指标, ● 横向(取水方向)流速沿水深的分布与习常的认识不同,近底层流速偏大; ● 紊动强度和紊动切应力的最大值均集中在口门的近底层偏下游; 2.取水口近区水域的水流结构及水力特性 ● 取水口近区水域的流速分布表现为取水口上游近岸侧偏大,在口门下游近底层存在低流速区;紊动动能在底层偏大; ● 类似弯道水流,口门近区存在明显螺旋流。 ● 沿水深各层水流进入取水口的弯曲曲率从水面到槽底逐渐增大,进水流束,即分水宽度随水深加大。提出了底部分流宽度与流速比的关系及分流宽度沿水深的变化关系; 3.采用求解雷诺应力的N—S方程的数学模型,对明渠横向取水的水流特性进行了数值计算,计算结果受到了相应试验结果的详细验证。 4.对明渠横向取水进行了定床和动床的泥沙试验,分析了取水分沙的特性,得到了取水分沙的经验关系式。 5.分析口门及近区水域水流结构,对易进底沙的薄弱环节,在防沙措施中进行了重点考虑。提出①口门加设斜形挡沙底槛;②口门上游加设导流板两种简易、有效的防沙措施,并分别进行了系统试验。从试验直接观测和数值模拟两个方面,对比取 博士论文 明渠岸边横向取水的三维水力特性及简易防沙措施试验研究 用措施前、后的流速场变化,验证了防沙效果。 6.提出导流板保护长度的概念及确定方法。对导流板的螺旋流分布、紊动剪应 力及导沙机理进行了观测和分析,提出组合导流板的优化布置原则,并通过试验证实 其布置的合理性。 7.在前人的理论分析基础上,对明渠中导流板环流流速分布的计算公式进行了 探讨,结合试验进行验证。 本文内容也是国家电力部科技攻关项目一“火、核电厂取水防沙防杂物防污进水 问题的研究”,一个子课题延续的研究成果。 关键词:明渠,横向取水,三维水流结构,防沙措施


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