高水头泄水建筑物侧墙突扩侧空腔水力特性研究

在前期研究的基础上,对高水头明流泄水建筑采用侧墙突扩和底部突跌联合掺气掺气形式时,侧空腔的影响因素和规律进行了试验研究.根据试验结果分析得出:水流经过掺气坎后,在侧墙上的落水位置主要取决于水舌的横向扩散能力和底部的压力分布,底板上的冲击压力对水舌的横向扩散能力有显著影响,冲击压力是影响侧空腔形成的内因.对侧墙突扩掺气坎形式而言,影响侧空腔长度的主要因素有跌坎高度、突扩宽度和来流佛氏数.     

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。     

侧折流器对突扩突跌掺气减蚀的影响研究

突扩突跌式掺气可较好的解决高水头深孔闸门面临的问题,即高速水流下的空化问题和闸门止水问题。但由于多数深孔闸门水头高、流速大,运行安全隐患多,突扩突跌式掺气减蚀设施在应用过程中也出现了不少问题。因此,实际工程应用中对弧门突跌突扩式掺气减蚀设施进行了大量水工模型试验、原型观测,并从两侧突扩宽度、跌坎高度、增设侧掺气坎等方面进行优化研究。以江坪河水电站工程泄洪放空洞弧形工作门突扩突跌式门槽水力学减压模型试验为依托,从水流流态、动水压力以及水流空化特性等方面,对比分析折流器对突扩突跌式掺气减蚀的影响。     

有压出流条件下突扩突跌掺气设施空腔长度研究

掺气减蚀措施可以减免高速泄水建筑物的空蚀破坏。采用突扩突跌掺气设施,会同时形成底空腔及侧空腔,获得较好的掺气减蚀效果,对建筑物底板及侧墙均起到良好的保护作用,在有压出流条件下,通过对突扩突跌掺气设施水工模型进行不同突扩宽度、跌坎高度、下游坡度、来流条件下的模型试验,初步确定了跌坎高度、突扩宽度、下游坡度对空腔长度的作用方式。结果表明,有压出流条件下,在其他条件相同时,底空腔长度与突扩宽度、跌坎高度均呈正相关关系,与下游坡度呈反相关关系;侧空腔长度与突扩宽度呈正相关关系,与跌坎高度及下游坡度均成反相关关系。最后通过量纲分析拟合出有压出流条件下,相对侧空腔长度与综合水力参数X的关系,得到在X<8时计算侧空腔长度的经验公式。     

侧墙掺气坎水力特性的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了侧墙掺气坎的水力特性。与试验结果对比分析表明,用紊流数学模型来模拟泄水道反弧末端侧墙掺气坎的水力特性是可行的。数值模拟表明,不论是跌坎上游侧墙贴角,还是跌坎下游侧墙突扩,当侧墙掺气坎尺寸较大时,均会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度,当侧空腔长度大于底空腔长度时,较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道,会出现不利流态,反之,当侧空腔长度较小时,能形成较好的流态。过坎水流落水点下游的流态对跌坎上游侧墙贴角尺寸较为敏感,相对而言,对跌坎下游侧墙突扩尺寸就不那么敏感。数值模拟也证实,采用尺寸较小的侧墙掺气坎,形成较小的侧空腔,能满足进行侧掺气的同时具有较好的流场水力特性。     

泄洪洞龙落尾段流态控制的试验研究

龙落尾泄洪洞由于大部分泄洪洞段都处于相对较低的水头,近年来在大型水电工程中有良好的应用。然而,在龙落尾段,坡度大,流速高,为减免空蚀破坏设置掺气设施是必要的。该文以某大型水电工程为对象,运用物理模型试验,通过13个方案,包括底部掺气设施的结构形式,折流器和侧扩两类侧墙掺气方式,以及文中推出的一种后退式侧墙掺气结构,对全断面掺气设施可能导致的水翅危害,水面的局部雍高等不良流态进行了专门研究。结果表明:对于侧墙掺气设施,折流器类掺气比侧扩掺气对流态干扰更大;在满足下游合理的掺气浓度条件下,减小底部挑坎坎高和挑角能够改善水流表面的局部雍高;后退式侧墙掺气设施结构由于上移了侧空腔尾部的位置,可以有效地改善侧掺气设施引起的水翅危害。     

突扩突跌体型的部分水力特性实验研究

高坝泄水建筑物在运行过程中,一般都会采用掺气减蚀的处理措施以保证工程安全。然而,采用常规底部掺气设施后,下游侧墙仍可能出现空蚀破坏。而加入侧墙掺气处理措施,可有效提高下游近壁水体的掺气浓度。本文通过模型试验,对突扩突跌体型下,侧空腔长度对水流形态的影响,佛劳德数对水流形态及侧空腔长度的影响进行了实验研究。     

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。     

溪洛渡水电站大型泄洪洞龙落尾掺气减蚀设计优化研究

溪洛渡水电站泄洪洞龙落尾段沿程水流流速增加,压强和空化数沿程降低,相应带来空蚀破坏问题。为了达到较好的掺气减蚀效果,采用物理模型试验研究方法,对龙落尾段底板挑坎+突跌及侧墙收缩体型进行了研究,研究了底板掺气空腔与侧墙掺气空腔之间的相互关系。在确定底板掺气体型下,对侧墙掺气进行了详细研究,以保障掺气设施下游侧良好的水流流态和稳定的掺气空腔形态,对底板和侧墙起到保护作用。     

前置突扩突跌掺气设施曲线阶梯水流掺气特性数值计算

采用Realizable k-ε紊流模型和水气两相流Mixture模型对不同流量下前置突扩突跌掺气设施曲线阶梯连接段水流进行了数值模拟,得到了连接段边墙、底板及水流内部掺气量分布规律。结果表明:突扩突跌掺气设施形成的掺气空腔长度和形态与试验结果吻合,测点处掺气量的计算值大于试验值,但计算值与试验值随流量增大而增大的变化规律基本一致;在单宽流量大于28 m~2/s时,水流通过突扩突跌掺气设施后均能形成稳定的侧空腔和底空腔;在流经阶梯段过程中,掺气作用逐渐从四周向内部发展,最后形成均匀的掺气水流;连接段突扩突跌掺气设施和阶梯的联合作用能够有效地提高水流在底板和边墙处的掺气量;在单宽流量为54 m~2/s时,连接段末端掺气均匀水流的掺气量高达20%。通过设置前置突扩突跌掺气设施,能有效提高大单宽流量阶梯水流掺气量,降低泄洪建筑物产生空蚀破坏的风险。     

羊曲水电站溢洪道掺气设施的试验研究

针对羊曲水电站溢洪道掺气槽的位置、体型进行了十多个方案的试验研究和论证分析,提出的掺气坎后双圆弧底坡方案,解决了掺气坎后的回水问题及水翅问题。其具有流态好、空腔水舌稳定、掺气槽内无积水、掺气浓度较大等优点,解决了溢洪道的掺气问题,满足了设计要求,并被应用于工程设计中,可供其它工程参考。     

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。     

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。     

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。     

跌扩型底流消能工突扩比对边墙水力学指标影响的试验研究

在模型试验成果的基础上,分析了跌扩型底流消能工水流流态,并就突扩比对消力池内流态、底板时均动水压力分布、临底流速、近墙流速的影响进行了研究。结果表明,突扩的存在能有效降低消力池边墙水力学指标。该成果可为工程设计提供一定的科学依据。     

窄缝挑坎水翅危害强度研究

为了探讨水流流经泄水建筑物末端的窄缝挑坎时产生的水翅导致强降雨对下游造成的不利影响,进行了系列模型试验研究,分析了能够表征水翅危害强度的各参数(水翅影响区距挑坎出口位置、降雨强度等值线包裹范围面积、椭圆形态系数、椭圆偏态系数),并构建水翅危害强度表达式。利用此表达式对模型试验实测降雨强度计算分析,结果表明:来流弗劳德数增大及挑坎底板采用的俯角角度减小时,窄缝水翅对泄水建筑物产生的危害强度呈降低趋势,而对下游岸坡和环境危害强度呈增加趋势;挑坎收缩比减小时,对泄水建筑物及下游岸坡和环境的危害强度均呈增加趋势。研究成果可用于物理模型试验研究时定量评判窄缝挑坎水翅危害强度,为窄缝挑坎体型参数选择提供理论支撑。     

突扩跌坎掺气设施深化研究

高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题是高水头泄水建筑物运行所遇到的2大问题。为深入研究突扩跌坎掺气设施,进一步了解其水力特性和空化特性,以某水利枢纽孔板泄洪洞中闸室通气系统和突扩跌坎掺气设施为具体研究对象,通过建立比尺 1∶20 的局部水工模型,分析研究了通气孔风速、流态、压力、掺气浓度等水力特征参数,并将试验结果与原型观测结果进行了对比。结果表明:该工程布置的掺气效果良好,试验所得通气管内风速随闸门开度变化的趋势、水流掺气浓度、压力及其脉动在数值上与原型观测结果均一致,说明工程原型观测与模型试验对比验证是成功的。理论研究和实际运用均表明,结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置,是符合实际需求且安全可行的,同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施,具有广泛的推广应用价值。     

低Fr数流动跌坎掺气槽的水力及掺气特性

通过模型试验和理论分析，研究了低Fr数(Fr<7)流动情况下空腔积水对跌坎掺气设施水力及掺气特性的影响。建立了计算跌坎掺气设施水力及掺气特性的预测数学模型。给出了射流出射角的修正式；积水尺寸的计算式；掺气设施实际运行工况(空腔长度、空腔负压、掺气量等)的预估方法。研究表明，低Fr数流动情况下，由于重力作用显著，积水对水力及掺气特性均有显著影响。     

突扩廊道体型减免高水头船闸输水阀门空化研究

高水头船闸存在的主要关键技术问题是船闸输水阀门的空化与空蚀问题.本文在综合研究国内外改善输水阀门空化的措施基础上,提出了突扩廊道体型以及减免输水阀门空化,通过物理模型试验和原型观测研究,充分论证了突扩廊道体型减免空化的效果.结合三峡工程连续五级船闸水力学试验研究,优化了突扩廊道体型,提出了结构简单、具有很强抗空化能力的底扩体型.闽江沙溪口船闸水力学原型观测成果表明,突扩廊道体型减弱了阀门空化强度,起到了保护阀门和廊道边壁免遭空蚀破坏的作用,保证了该船闸的正常运转.