挑跌流水垫塘高含沙水流紊动机理研究项目摘要

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。

对简单的不可压缩等密度自由紊动射流，20世纪20年代开始就已有较成熟的理论。例如对生产实践中最常见的圆形喷口射流和窄长孔口射流，都已求得主体段和起始段的动量积分解和按边界层理论简化后的微分方程解。受边界条件或环境流动影响的非自由紊动射流也有不少实验及计算方面的研究成果。