一种龙落尾段泄槽底板衔接的组合式跌坎体型及掺气方法与流程

本发明专利涉及水电工程泄水建筑物高速水流掺气减蚀领域，具体是一种龙落尾段泄槽底板衔接的组合式跌坎体型及掺气方法。

背景技术：

1、在大型水利工程设计中，建筑物上下游落差较大，若采用一坡到底的设计形式，沿程水流流速高，易发生空化空蚀，需间隔设置掺气减蚀措施，因此提出“龙落尾”体型来避免工程中大量设置掺气减蚀措施。龙落尾主要分为缓坡泄槽和陡坡泄槽，缓坡泄槽距离长，沿程水流流速一般在20m/s以下时不需掺气；陡坡泄槽距离较短，流速超过30m/s时需要设置掺气措施。然而，在缓坡泄槽与陡坡泄槽之间过渡段体型设计非常重要，同时需要考虑水流过渡流态和掺气效果，掺气位置和掺气体型具有很大的不确定性，设置不合理对水流扰动大，容易形成新的空化源。因此，在原有缓坡泄槽和陡坡泄槽过渡的基础上，如何巧妙选取掺气坎位置和掺气坎体型，同时满足水流过渡平顺和掺气效果较好，具有较大的难度。

2、“龙落尾”体型目前应用广泛，缓陡坡泄槽坡度相差较大，缓陡坡泄槽交界位置的水流过渡流态较差。工程中一般采用涡奇曲线或坎槽体型衔接缓陡坡泄槽，涡奇曲线一般适用于流速较低、不需要掺气的情况；当流速较高，且缓陡坡角度相差不大时(如夹角大于150°，如专利cn203684180u)，可以采用跌坎+掺气槽体型，水流过渡效果一般可以保证。但是，当缓陡坡角度相差较大时(如夹角小于150°)，水流在缓陡坡过渡时不适应底坡变化，掺气坎(槽)问题突出，易形成不利流态。

技术实现思路

1、发明目的，为了克服上述现有技术的不足，本发明专利的目的在于提供一种龙落尾段泄槽底板衔接的组合式跌坎体型及掺气方法。

2、技术方案，根据本技术的一个方面，提供一种龙落尾段泄槽底板衔接的组合式跌坎体型，沿水流方向依次设置有缓坡泄槽、跌坎、平缓坡、通气井和陡坡泄槽，其中，

3、缓坡泄槽，位于上游端；

4、跌坎，布设于缓坡泄槽的下游端，沿水流方向逐渐向下倾斜，呈水平向下布置状态，跌坎底板与水平方向的角度介于缓坡泄槽和陡坡泄槽之间；

5、跌坎的末端具有一个垂直向下的垂线结构，水流w1经过跌坎后呈抛物线曲线落入陡坡泄槽而下；

6、平缓坡，设置在跌坎和陡坡之间，平缓坡一端的高程与垂线结构底部高程一致；

7、陡坡泄槽，顶端与平缓坡末端连接；水流落下时下缘切线与陡坡泄槽坡面形成入射角θ；

8、通气井，布置在垂线结构后平缓坡两侧，为上、下连通井，连通通气空腔和外部大气。

9、根据本技术的一个方面，缓坡泄槽与跌坎的连接处设置有曲线过渡部。

10、根据本技术的一个方面，所述跌坎的顶面为折线或二次曲面；在来流弗劳德数较小时，跌坎顶面末端截面为三角形、v型或三维异形。

11、根据本技术的一个方面，通气井底部设置为梯形截面，上游孔高大于下游孔高。

12、根据本技术的一个方面，平缓坡长度短于水舌轨迹在水平方向上的长度，使水舌落点落于陡坡泄槽。

13、根据本技术的一个方面，所述缓坡泄槽底板为正坡，坡度为0％～10％；所述平缓坡底坡为平坡或正坡，坡度为0％～5％；陡坡泄槽的底坡坡度角为30°～60°；跌坎顶坡坡度介于缓坡泄槽与陡坡泄槽之间。

14、根据本技术的另一个方面，还提供一种基于组合式跌坎体型的掺气方法，包括如下步骤：

15、步骤s1、获取基础参数，计算缓坡末端空化数k和流速v1，判断掺气坎跌坎位置x0(0，0)；

16、步骤s2、构建跌坎水流轨迹预测模型，计算跌坎水流下缘线落点位置和切线方向，获得跌坎水流入射角θ；

17、步骤s3、构建最优水流入射角目标函数，在约束条件求解最优解，获得优化后的设计参数i2，l2；

18、步骤s4、根据已知参数，综合确定通气井尺寸。

19、步骤s5、基于基础参数和优化后的设计参数，建立组合式跌坎体型，开展验证试验。

20、步骤s6、根据验证试验，判断掺气体型合理性，进一步局部优化过渡体型；进一步局部优化主要包括跌坎顶面采用曲线方程(缓坡泄槽与跌坎曲线过渡)、跌坎顶面末端设置成异型坎(如v型坎、三维异型坎等)。

21、根据本技术的一个方面，所述步骤s1进一步为：

22、步骤s11、流速进口流速v0，上游缓坡泄槽坡度i1，缓坡段总长l1，根据水力学原理，估算缓坡段末端流速v1和水流空化数k。根据龙落尾泄槽设计理念，k>0.3且v1<25m/s；

23、步骤s12、若水流空化数k＝0.3～0.5或v1＝20m/s～25m/s，掺气坎跌坎位置宜设置于缓坡段末端附近；若k和v1不满足以上条件，则掺气坎跌坎位置宜顺陡坡方向下移，直到k和v1满足以上条件；最终确定掺气坎跌坎位置断面；

24、步骤s13、掺气坎跌坎位置断面确定后，从跌坎位置断面向上游取l2长度作为跌坎段长度，假设跌坎段坡度i2，水平长度l2，下游陡坡泄槽坡度i4，则i1＜i2＜i4，初始取值为i2＝i1+1/3(i4-i1)，l2≈500*(i2-i1)，因此，初步确定跌坎末端坐标x0(0，0)。

25、根据本技术的一个方面，所述步骤s2进一步为：

26、步骤s21、计算缓坡段末端位置(跌坎段)的流速v1；

27、v1＝(2g△h+v02)0.5，式中△h为水位高差，△h＝l1×i1+l2×i2；

28、步骤s22、基于已知量得到下游陡坡泄槽斜线斜率k1＝i4；

29、步骤s23、设第(n+1)t秒水舌下缘落入下游陡坡泄槽，将第nt秒水舌质点、第(n+1)t秒水舌质点连线，得到斜线斜率k2；

30、k2＝i2+((2n+1)×(i22+1)0.5×gt)/2v1；

31、步骤s24、计算陡槽斜线与水舌轨迹斜线夹角θ的正弦值；

32、tanθ＝|i4-k2|/(1+i4×k2)；

33、＝[(2v1(i4-i2)-(2n+1)(i22+1)0.5gt]/[2v1(1+i4×i2)+i4×(2n+1)(i22+1)0.5gt]；

34、步骤s25、建立θ与i2之间的函数关系：

35、θ～f(i2，n)，即，

36、θ＝arctanθ＝arctan[(2v1(i4-i2)-(2n+1)(i22+1)0.5gt]/[2v1(1+i4×i2)+i4×(2n+1)(i22+1)0.5gt]，其

37、中t为计算间隔。

38、根据本技术的一个方面，所述步骤s3进一步为：

39、步骤s31、构建目标函数max||arctan(i2)|-|θ||，以及约束条件；

40、约束条件1：i1＜i2＜i4；约束条件2：0°<|θ|<10°；约束条件3：l2≈500*(i2-i1)；

41、步骤s32、求解目标函数，输出跌坎坡度i2，投影长度l2，此时水流入射角θ。

42、本技术有益效果如下：

43、(1)针对缓陡坡角度相差较大时高速水流在缓陡坡过渡时不适应底坡变化的掺气难题，提出跌坎式掺气坎体型和掺气方法，解决了缓陡坡泄槽过渡流态不佳和掺气效果差的技术问题。

44、(2)提出了适用于缓陡坡衔接的掺气坎设计方法，基于泄槽和水流特点，通过流程计算分析，能够较为准确地预测水舌轨迹及落点位置，提出最优水流入射角方法，指导设计掺气坎体型、尺寸、通气井等，保证水流过渡平顺，掺气效果好，消除水翅和掺气空腔积水等不利流态。

45、(3)本发明为组合式跌坎过渡体型，可通过调整不同的跌坎高度(坡度)、跌坎体型、平缓坡坡度及长度，适应宽fr数的来流条件，应用范围广，适用性强。