【摘 要】
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台阶式消能工是一种安全高效且经济的泄水建筑物,由于其消能率高且施工难度低,被广泛应用于中小型水利工程溢洪道消能中,可以有效消耗大部分上游水体能量,对下游水工建筑物及边岸的安全起到积极的作用。本文提出分段加墩式台阶消能工,即将总工程分为台阶段+平直段,并在平直段布置梯形消能墩的组合消能新形式,包括五种消能墩布置方式:无消能墩布置、消能墩反向布置、消能墩反交布置、消能墩正向布置和消能墩正交布置,采用数
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台阶式消能工是一种安全高效且经济的泄水建筑物,由于其消能率高且施工难度低,被广泛应用于中小型水利工程溢洪道消能中,可以有效消耗大部分上游水体能量,对下游水工建筑物及边岸的安全起到积极的作用。本文提出分段加墩式台阶消能工,即将总工程分为台阶段+平直段,并在平直段布置梯形消能墩的组合消能新形式,包括五种消能墩布置方式:无消能墩布置、消能墩反向布置、消能墩反交布置、消能墩正向布置和消能墩正交布置,采用数值模拟与物理试验相结合的方法,对分段加墩式台阶消能工的水力特性及消能率进行了研究,得出以下结论:（1）本文通过FLUENT软件对分段加墩式台阶消能工进行数值模拟,并对消能墩反墩布置工况下流量为Q=40m~3/h时,数值模拟所得到的各断面的断面平均水深、流速和压强值与物理试验的实测值进行比较,发现两者吻合较好,最大相对误差分别为7.09%、6.54%和6.46%,说明该模拟方法是可行的。（2）靠近中轴线的纵断面的水流流线更平滑,靠近边壁的纵断面水流波动程度较剧烈,同时也会拥有更大的掺气区域和更高的掺气量,消能墩的存在会使局部产生不同程度的壅水,抬高消能墩处及消能墩后的水面线。（3）第一排消能墩前会出现高正压区,消能墩顶出现负压区,消能墩反交布置和消能墩反向布置下消能墩的斜面上也会出现部分负压区,消能墩反交布置和消能墩正交布置第二排消能墩顶部的负压区会明显多于消能墩反向布置和消能墩正向布置。（4）消能墩的存在会使局部产生高湍流动能耗散率区域,在同一布置形式的同一流量工况下,不同纵断面间的差距较小。（5）分段纯台阶工况下台阶式消能工的消能率较高,且随着流量增加而减小,而分段加墩式台阶消能工的消能率在对应流量下均高于纯台阶,且可使下游出水口处流速有不同程度的降低。（6）工程中对布置形式的选取应综合考虑各种因素,消能墩正向布置和消能墩反向布置工况对水流流态、掺气、流速的影响较消能墩正交布置和消能墩反交布置工况更大,但其只对两排消能墩的纵断面的影响较大,影响的覆盖面积要小于消能墩正交布置和消能墩反交布置,在压强方面第二排消能墩的负压区也少于消能墩正交布置和消能墩反交布置,说明有消能墩布置时,消能墩正向布置工况下的消能墩处压强分布情况对工程安全的影响是最小的。在流量分别为20m~3/h、30m~3/h和40m~3/h时,各布置方式的消能率差距不大,此时消能墩正向布置为最安全也最合适的选择,在流量分别为50m~3/h、60m~3/h时,消能墩反交布置和消能墩正交布置的消能率要更高,如果需要更高的消能率,可以根据实际情况选择消能墩反交布置或者消能墩正交布置的方式。
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