挑流反弧段水流掺气浓度的试验研究

通过泄槽水力学模型试验,研究了溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物挑流反弧段掺气浓度的沿程变化规律;分析反弧段掺气浓度分布与挑坎高度、挑流段反弧半径以及来流流量之间的关系,以期为优化掺气坎体型及掺气坎下游设施提供依据。试验结果表明,挑流反弧段水流表、中、底不同部位掺气浓度的沿程衰减率是不相同的;在试验范围内,挑流反弧段水流掺气浓度随掺气坎高和反弧半径的增大而增大,随流量的增加而减小。     

泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究

对高水头、大单宽流量、低佛氏数、小底坡长明流泄洪洞，在反弧段末端采用常规的掺气坎往往难以取得理想的掺气效果，同时，反弧段下游边墙易出现空蚀破坏。本文在大比尺模型试验的基础上，提出了竖向、纵向及横向三维均连续变化的新型掺气坎，并对比分析了掺气坎三维体型的变化对掺气特性的影响。试验表明，空间三维连续变动的V型坎能使挑射水流形成连续变化的空腔长度，较二维掺气坎在上述特点的泄洪洞中能形成稳定的空腔形态、减小空腔回水并提高挟气量。试验同时表明，泄洪洞反弧末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低，容易出现空化；同时，反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分，底部强迫掺气尚未充分扩散，致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区，从而容易导致反弧段下游边墙的空蚀破坏。     

泄洪洞侧墙的人工强迫掺气减蚀研究

采用常见的底部掺气设施时,反弧段下游附近边墙仍存在较大范围的掺气盲区,从而反弧段下游边墙容易产生空蚀破坏。利用反弧段上游掺气坎空腔进行人工强迫通气的试验表明,增加反弧段前掺气坎的掺气能力,虽能一定程度减小反弧段下游边墙的清水区范围,但难以将其完全消除。反弧段下游边墙清水区直接强迫通气的试验表明,通过边墙通气孔进入水流的气体扩散范围很小,且由于沿边墙高度各点动水压力不一样,很难保障沿边墙高度掺气的均匀性;同时,强迫通气所需的动力设备功率很大。因此,在实际工程中采用人工强迫通气减免反弧段下游侧墙的空蚀难度很大。     

泄洪洞反弧段末端水力特性指标分布规律

龙抬头式泄洪洞在水利水电工程中应用十分普遍,但是由于反弧段流态复杂,其产生空蚀破坏的原因尚不明晰。对不同泄洪洞体型掺气前后的工况进行三维数值计算,对其水力特性指标的分布规律进行研究。结果表明:随着落差Δz增大,反弧段流速逐步增大,水流空化数逐步减小;反弧半径R的改变对反弧段水力参数的影响有限。掺气水流的反弧段水力学指标主要取决于Δz,而受反弧半径R的影响相对较小。当Δz减小时,反弧段末端的水力参数在掺气前后变化不大,反弧段末端下游30m(等于15倍的挑坎高度)处的掺气水流的流速明显降低,空化数明显增高,掺气水流的保护作用对空腔下游部分的水力参数影响更加明显。在反弧末端有二次流出现,两侧边墙附近存在对称涡,不仅对边墙附近的流速压力分布产生一定影响,也加剧了反弧段内的水力特性的复杂程度。     

泄槽反弧段掺气坎空腔回水的试验研究

空腔回水是制约掺气效果的一个重要因素,影响掺气空腔回水的因素众多且复杂。通过泄槽反弧段模型试验,研究了当流量、挑坎高度、挑坎坡度等因素发生变化时,反弧半径的变化对空腔回水深度的影响。试验结果表明,当其他条件不变时,随着反弧半径的增大,空腔回水深度逐渐减小;反弧半径越小,对空腔回水深度的影响越明显;对于同一挑坎高度或坡度,空腔回水深度随来流量的增加而增加;随着挑坎高度、挑坎坡度的增大,空腔回水深度也随之增大,但当挑坎坡度达到一定时,空腔回水深度将不会增大。研究成果可为优化掺气坎下游设施的设计提供参考。     

泄洪洞反弧段上游掺气坎对反弧段下游侧墙的减蚀作用

通过对龙抬头明流泄洪洞反弧末端下游易蚀原因的总结分析,指出在设计掺气坎时应重视反弧段下游附近边墙的掺气防护。通过大比尺模型试验,对能否通过增加反弧段上游掺气坎的掺气能力达到对反弧段下游侧墙的减蚀目的的问题进行了研究,试验表明:增加反弧段前掺气坎的掺气能力,虽然能在一定程度上改善反弧段下游边墙的掺气效果,并减小边墙清水区范围,但反弧段前掺气坎的掺气能力即使较大时,也难以完全消除边墙清水区,该措施难以可靠地解决反弧段下游边墙的空蚀问题。     

龙抬头式泄洪洞反弧末端边墙掺气减蚀设施的研究

高水头龙抬头式明流泄洪洞发生空蚀的部位一般位于反弧末端下游边墙及底板上，因此研究该部位的掺气减蚀设施具有十分重要的应用价值。结合二滩水电站1号泄洪洞，研究了反弧段边墙掺气问题，基于掺气挑坎设计中应遵循的基本原则，提出了一种新型的斜侧收缩式掺气挑坎体形，并分析了影响侧收缩掺气挑坎挟气量及挑坎下游水流流态的因素。     

二滩水电站泄洪洞侧墙掺气减蚀研究与实践

二滩水电站是中国在二十世纪建成的最大水电站,电站设有2条龙抬头式泄洪洞,单洞最大泄洪流量为3 800 m3/S,设计最大流速为45 m/s.1#泄洪洞在采用常规的掺气设施后,虽然有效地减免了反弧段本身及反弧段下游底板的空蚀破坏,但反弧段下游侧墙仍出现了空蚀破坏.通过大比尺的模型试验,研究了多种掺气减蚀方法,提出了解决高流速、大流量泄洪洞侧墙掺气减蚀方案.2005年,利用研究成果,采用反弧末端上游侧墙突缩(侧墙贴角)加凸型跌坎的三维掺气坎方案,对二滩1#泄洪洞2#掺气坎体型进行了改造.随后的水力学原型观测表明,2#掺气坎区域水流掺气浓度增加,底板和侧墙脉动压力和空化噪声测值平稳,且在合理范围之内.通过连续2个汛期的运行试验和现场检查,改造后的2#掺气坎体型结构完好,下游未发现明显的空化气蚀现象,成功地解决了侧墙空蚀问题.     

泄槽底坡对掺气坎射流空腔积水的影响

通过作者建立的掺气坎射流曲线方程和掺气空腔积水方程,分析计算了泄槽底坡对跌坎型、挑坎型和挑跌坎型3种掺气坎掺气空腔积水的影响.计算结果表明,泄槽底坡对3种体型掺气坎掺气空腔积水的影响规律是一致的.随泄槽底坡增大,空腔积水减弱,最终消失;掺气坎后挑射水流与底板的冲击角随泄槽底坡增大而减小;不同体型掺气坎的临界冲击角是不一样的.研究成果可为掺气坎的设计提供参考.     

不同掺气条件下底板水流脉动压强特性研究

针对水流掺气后对脉动压强特性的改变问题,基于矩形陡槽水工模型试验结果,分析了不同掺气设施及不同通气方式泄槽底板的脉动压力标准差沿程变化规律。分析结果表明,自掺气底板水流脉动压强沿程变化平稳;强迫掺气底板水流脉动压力明显增大,并在水舌冲击区呈单峰规律;单独底坎、单独侧坎和底侧联合坎三种掺气设施中,单独侧坎掺气对底板水流脉动压强影响最小。另外同种掺气设施下,增大流量、增大通气孔面积和采用分散进气方式都会增大泄槽底板的脉动压强。     

挑坎掺气在岔河水库溢洪道中的应用研究

对于中、高水头泄水建筑物,空化水流易诱发结构空蚀破坏。基于岔河水库溢洪道原设计体型,通过模型试验,研究在泄槽抛物线段上、下游侧增设不同体型掺气坎对空化水流的影响。成果表明:挑坎布置于下游侧,散水现象明显,随流量增大,下游泄槽流态恶化。挑坎布置于上游侧(挑角5°、坎高Δ=0.40 m),未掺气时,坎后射流空腔内充满回水,呈负压状态;下游泄槽空穴数上升,水流流态较为平顺;坎高增加,空穴数反而减小;强迫掺气条件下,坎后能够形成稳定的射流空腔,随挑坎高度增加,空穴数变化并不明显,泄槽水流流态反而更趋紊乱。     

清水及浑水高速流掺气和掺气抗磨的研究

本文介绍时明流泄水建筑物高速水流自掺气、槽坎人工掺气以及含沙浑水掺气抗磨的系统研究。通过理论分析、室内试验和原型观测的综合探索。已取得一系列重要研究成果:明流自掺气、人工掺气的掺气最和掺气浓度分布、槽坎掺气减蚀设施的掺气保护长度、含沙水流掺气特性和掺气抗磨效果以及掺气水流的模型律和尺度效应等。     

泄洪洞掺气减蚀设施空腔回水研究

泄洪洞内高速水流空化引起过流表面空蚀一直以来都是一个值得关注的问题,掺气减蚀是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施。以某水电站泄洪洞明流泄槽的掺气设施为例,从对掺气坎体型增加坎高、加设坎下平台、加设下游陡坡、圆弧形底板等多个角度进行了探索比较优化。研究成果表明:挑跌坎掺气槽后接圆弧底板布置形式,较好地解决了掺气坎下游水流反向漩滚和空腔回水的问题。这一成果为类似掺气设施的布置提供了参考。     

弧形闸门突扩突跌出口掺气设施体型研究

基于物理模型实验,对弧形闸门突扩突跌出口掺气设施的体型及其影响因素进行了详细的研究。试验结果说明:突扩突跌掺气设施形成复杂的水流流态,向上扩散的水流形成水翅,回到正常水面后,在其下游又会激起冲击波,向下扩散的水流形成水帘,增加底空腔的回溯水流;底空腔的长度与跌坎、挑坎的高低、下游泄槽坡度均呈正相关关系,但泄槽坡度越陡,下游泄槽水翅越严重;侧空腔的长度与侧扩宽度呈正相关关系,但与下游泄槽水翅的严重程度呈反相关关系。     

掺气水流不同粒径气泡运动特性研究

采用三维数值模拟方法和离散相模型(DPM模型)模拟了不同比尺高水头直槽式泄洪洞和带反弧泄洪洞掺气水流中不同粒径气泡的运动特性,分析了不同粒径气泡对近壁掺气浓度的影响范围,研究成果可为掺气浓度的缩尺效应提供依据。分析表明,气泡的影响范围与流速成正比,与气泡的粒径成反比;泄洪洞底坡越小,气泡的影响范围越大;泄洪洞反弧段半径越大,气泡的影响范围越大。     

水垫塘不同水流结构区掺气浓度分布规律试验研究

为了得到水垫塘局部掺气浓度分布规律,减少过流边壁空蚀破坏的发生,采用水力学模型试验的方法,将水垫塘内水体进行水流结构分区,通过改变泄流流量、水流入射角度、水垫深度三个条件,实测水垫塘不同水流结构区掺气浓度值,研究气体在不同水流结构区的运动机理。对试验所测数据进行整理得到水垫塘不同水流结构区掺气浓度分布曲线,且不同的水力条件与其拟合近似为二次曲线关系。通过分析得到水垫塘不同水流结构区掺气浓度分布规律如下:各水流结构区掺气浓度随泄流流量增大而增大;射流与附壁射流区紊动掺混随泄流流量增大而更加剧烈;掺气浓度随水垫深度增大而减小;淹没射流区与旋滚区掺气浓度随水流入射角度增大而减小,附壁射流区掺气浓度随入射角度增大而增大,但变化不明显。     

突扩式跌坎消力池掺气特性试验

采用模型试验对突扩式跌坎消力池内水流的掺气浓度进行了量测,研究了来流条件、突扩比、水流流态对掺气特性的影响。结果表明：突扩式跌坎消力池掺气水流典型流态为水跃流叠加在射流之上,跃首被射流分裂成两部分,气泡跃移区在泄槽延长线范围内,长度较无突扩跌坎消力池有所减小,气泡悬移区长度有所增加,临底长度有所减小,突扩处为清水回流区,携带部分气泡;无突扩跌坎消力池底板掺气浓度呈降峰形曲线分布,各纵向断面沿程掺气浓度分布均匀;突扩式跌坎消力池底板掺气浓度呈升峰形曲线分布,掺气浓度在消力池底板1/4中线处最大,1/2中线处次之,靠近边墙处最小;在同一水力条件下,突扩式跌坎消力池底板掺气浓度较无突扩跌坎消力池有显著降低,且消力池底板掺气浓度不随突扩比的增大而减小。     

洞式溢洪道掺气减蚀设施的体型优化研究

有关高速水流泄水建筑物掺气设施体型优化方面的研究还没有成熟的理论方法,此研究拟通过模型试验的方法取得掺气减蚀设施的体型优化成果。结合大渡河猴子岩水电站洞式溢洪道的大比尺水工模型试验,根据规范,采取3道掺气设施,并对掺气设施挑坎坡度、高度和跌槽深度对比选优,对高水头溢洪道掺气减蚀设施进行优化研究。试验表明,通过改善掺气设施型式,可以有效减免反弧段空化和气蚀。成果可供设计高水头、大流量洞式溢洪道掺气设施体型参考。     

泄槽反弧段掺气坎的空腔特性

空腔特性是影响掺气效果的重要因素之一,而空腔长度和空腔积水是反映掺气空腔特性的两个重要指标。通过二维数学模型建立和数值模拟计算,对反弧半径、掺气坎体型与反弧段水流特性及掺气空腔特性的影响关系进行研究。根据数值模拟结果可以看出,反弧半径的增大会引起空腔长度的增长而减短空腔积水长度;挑坎坡度越陡,空腔长度和空腔积水长度都会变得越长;空腔长度和空腔积水长度都与挑坎高度成正比关系。本结果可以为优化掺气设施提供科学依据。     

水电站一坡式高流速泄洪洞掺气减蚀的研究分析

针对某高坝工程左岸泄洪洞高流速运行特点,结合模型试验进行了全隧洞掺气减蚀的研究.通过对掺气槽体型、布置位置的调整优化,达到了全程掺气的目的,在此基础上,测定了掺气槽坎上风速、掺气量以及底空腔长度.采用γ-射线法测量了掺气水流的掺气浓度,并作出了相应评价,将每道掺气槽的影响范围控制在100~110 m左右,掺气浓度随沿程的增加呈减小的趋势.