溢洪道阶梯陡槽段水面掺气位置试验与计算探讨

外凸型阶梯式消能工是应用于溢洪道陡槽段上的一种新型的辅助消能工。目前溢洪道陡槽段外凸型阶梯式消能工已在水利工程中得到了应用,但对此类型阶梯式消能工水力特性的研究成果仍较少。本文在5种坡度比和不同阶梯体型(包括阶梯高度、阶梯间距等参数)的阶梯陡槽溢洪道水力模型试验研究的基础上,对溢洪道阶梯陡槽段水力特性进行研究探讨,分析了陡槽段坡度比、阶梯跌坎体型参数等对溢洪道陡槽段泄流流态的影响,并将阶梯陡槽段泄流分为光滑水流区和掺气水流区两部分,提出了外凸型阶梯陡槽段水面掺气断面位置和水深的计算公式。本文研究成果可为溢洪道阶梯陡槽段沿程水面线和消能计算提供参考。     

前置掺气坎坡度对阶梯溢洪道掺气水流影响的数值模拟

为研究复杂边界条件下气液两相界面的流动及混掺现象对工程建设的影响,结合某大型水电站的溢洪道,利用RNG k-ε模型对其进行三维流场模拟,采用有限体积法离散控制方程,并用GMRES算法进行压力求解,对前置掺气坎式阶梯溢洪道和传统阶梯溢洪道泄流壁面上的高速掺气水流进行数值模拟。结果表明:随着掺气坎坡度的增加,其掺气空腔及掺气浓度均有所增大,随着水流下泄掺气浓度沿程降低,达到一定距离后趋于稳定,掺气浓度值达到了减免空蚀破坏的要求;与传统阶梯溢洪道的模拟结果进行对比可知,增设前置掺气坎后,既可以增加前几级阶梯的掺气浓度使水流提前达到水气平衡,也没有降低阶梯式溢洪道的消能率,为解决传统阶梯溢洪道中出现的工程难题提供了一种新思路。     

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。     

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。     

某水库岸边溢洪道体型优化试验研究

结合某中低水头水库工程的岸边溢洪道,以水流流态衔接、减小消力池规模为控制指标,采用物理模型试验比较了采用"光滑溢洪道+底流消力池"与"前置掺气坎式阶梯溢洪道+底流消力池"两种消能方案的优劣,对不同布置方案在不同运行工况下的水流流态、入池流速与消能率等水力学指标进行详细对比分析。研究成果表明:采用前置掺气坎式阶梯溢洪道后,消力池长度能缩短57.1%,入池流速减小最大达51.18%,综合消能率大于84%。同时,前置掺气坎式阶梯溢洪道使阶梯泄槽内掺气更充分,继而可减小发生空蚀破坏的可能性。研究成果可为类似工程设计提供一定的参考。     

台阶消能掺气试验优化设计研究

台阶式溢洪道掺气效果直接影响其消能率。文章对台阶式溢洪道掺气设施进行水工模型试验,从掺气坎水流流态、空腔长度、空腔稳定性、通气井风速及台阶段掺气情况看,掺气坎体型是合理的,通气井风速满足规范要求。掺气设施的布置,以期为类似工程提供参考。     

浅论掺气设施的消能作用

掺气减蚀设施不仅能有效地减缓空蚀和磨蚀的发生,而且具有一定的消能作用.结合某水电站溢洪道的模型试验研究,分析了溢洪道掺气减蚀工程措施的消能效果,并首次定量地计算了消能率.试验和计算结果表明,在高水头、大单宽流量溢洪道中每道掺气挑坎的消能水头为2～5 m,随着级数的增加消能水头逐渐增加.试验还表明,在满足掺气要求和水流流态平稳的条件下,尽可能多设置掺气设施不仅不会增加工程量,还可以降低泄槽因高速水流冲刷破坏的风险,而且有利于下游消能防冲设计的优化.     

溢洪道掺气设施和挑坎体型模型试验

对拟建的LZP水库溢洪道进行水工模型试验研究,结果表明:原方案中掺气槽的设计位置不佳,致使水流无法进行充分调整、掺气保护长度不能被充分利用;原设计挑坎体型欠妥,由于溢洪道出口位置河道狭窄且溢洪道轴线与河道夹角过大,出射水舌对河道右岸有严重冲刷现象。针对以上工程问题,提出上移掺气槽与底板镂空异形挑坎两个方案,并分别进行优化试验,研究结果证明:底板镂空异形挑坎方案对出射水舌的纵向拉伸效果较好,避开了右岸边坡且水流流态也更趋稳定;调整后的掺气槽布置位置合适,空腔形成良好,能够充分发挥功效。     

外凸型阶梯式陡坡段掺气和动压特性

为了探讨溢洪道不连续外凸型阶梯陡坡段的掺气和动水压强特性,开展了坡度为1∶3阶梯陡坡段的掺气和动水压强水力模型试验。研究表明:受外凸型阶梯突体的影响,其阶梯陡坡段水流未掺气区长度比常规连续的内凹型阶梯陡坡段缩短,其水面掺气断面下游的陡坡段壁面水流掺气浓度较高和沿程增大,掺气浓度随阶梯高度增大而增加,随单宽流量增大而减小,陡坡段壁面的抗空蚀性能明显提高;阶梯陡坡段壁面动水压强随阶梯高度和单宽流量增大而增加,在阶梯高度a≤0.6 m、单宽流量q≤30 m~3/(s·m)试验条件范围内,陡坡段水面掺气断面下游的阶梯壁面动水压强值为其相应断面流速水头的45%之内。     

圆弧堰式阶梯溢流坝掺气发生点数值模拟研究

溢洪道是水利工程泄水建筑物的重要组成部分,将泄槽设计为阶梯状,可以有效增加水流的紊动,造成流动掺气剧烈,增加沿程能量的消耗.针对阶梯溢洪道的结构形式,其堰顶的形状及尺寸大小,对其掺气特性起到很大的影响.运用FLOW 3 D软件,对圆弧堰式阶梯溢流坝水流的掺气特性进行数值模拟.结果表明,当圆弧半径相同时,堰上水头越大,圆...     

Air entrainment of hydraulic jump aeration basin

In order to avoid the cavitation damage and the decrease of the energy dissipation of the stepped spillways with a large unit discharge, the air entrainments of the hydraulic jump aeration basin(HJAB) are theoretically and experimentally investigated for the hydraulic-jump-stepped spillway developed by the authors. It is shown that the submerged degree of the hydraulic jump and the air concentration in the measuring section are all functions of the dimensionless discharge, the length and the end sill height of the HJAB. The submerged degree s decreases with the increase of the dimensionless discharge or the dimensionless length of the HJAB, but increases with the increase of the dimensionless height of the end sill of the HJAB. The flow regimes near the critical hydraulic jump, namely, at s = 1.0, have the best effect of the air entrainment for the flow at the measuring section and then that of the stepped spillway.     

Inception point of air entrainment over stepped spillways

The location of the inception point of the air entrainment directly affects the energy dissipation ratio, the cavitation damage control, and the training wall height designs for a stepped spillway and a stilling basin. In this paper, the boundary layer theory of plates is used to predict the location of the inception point of the air entrainment over the stepped spillways by assuming the steps on the spillways as a kind of roughness. An empirical formula is presented based on the physical model experiments, with the maximum error less than 1% except at one point where the error is 1.6%, as compared to the experimental data. Meanwhile, it is shown that the location of the inception point of the air entrainment for the stepped spillway is much nearer to the top of the spillway than that for a smooth spillways, which explains why the high ratio of the energy dissipation is provided for the stepped spillway.     

曲线型阶梯溢流坝坝面掺气发生点位置的确定

 曲线型阶梯溢流坝坝面形成掺气水流，是阶梯溢流坝具有较高消能率的重要原因之一，故掺气初生点位置的确定，对阶梯尺寸的选择有重要的影响。根据在大型钢架玻璃水槽中，对4种不同阶梯尺寸的曲线型阶梯溢流坝系统试验结果，分析了坝面掺气的机理，给出了确定坝面掺气初生点位置的计算公式及曲线。     

台阶溢流坝过流掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀问题进行了分析研究。结果表明,利用表孔宽尾墩+台阶面的过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题,台阶面水流近底掺气浓度最小在5%以上。高坝试验结果还表明,坝高增加20 m,台阶面水流掺气浓度沿程分布规律不变,即该掺气减蚀方法应用范围可推广至坝高131.0 m的台阶溢流坝。     

HYDRAULIC PERFORMANCES OF SKIMMING FLOW OVER STEPPED SPILLWAY

Hydraulic performances of skimming flow over stepped spillway was studied by means of hydraulic model experiment. The stepped spillway is a modification of the WES (Waterways Experiment Station) standard spillway. The main objective of the experiment was to study the performances of skimming flow over stepped spillway, which include the skimming flow regime, the flow depth on the spillway , the effect of air en-trainment and the energy dissipation. Presented in this paper, the experimental results indicated that the stepped spillway is more effective at dissipating energy, the dissipation ratio decreases with increasing discharge, and the free surface air entrainment on stepped spillway occurs much more upstream than on smooth spillway.     

缓坡度陡槽溢洪道阶梯消能研究与应用

作为一种新型的辅助消能工，阶梯式消能工得到较多的研究和应用，但以往的研究与应用主要集中于坡度较陡的溢洪道。本文在总结广东省多项水利工程阶梯式溢洪道试验研究的基础上，进行了4种坡度比阶梯溢洪道的模型试验研究，对缓坡度陡槽溢洪道应用阶梯式溢洪道的水力特性进行了研究探讨。给出了阶梯跌坎高度、阶梯跌坎间距等阶梯体形参数对消能效果及流动形态的影响规律，并对缓坡度陡槽溢洪道应用阶梯式溢洪道设计方法进行了探讨，可供类似工程参考。     

布仑口水电站消力池尾坎位置模型试验

针对布仑口水电站水力学模型试验中导流兼泄洪冲沙洞消力池中出现远驱水跃,而常规解决办法都有不同程度副作用的问题,根据工程的实际情况,采用控制消力池尾坎位置的方法,通过1∶40水力学模型试验,提出将尾坎往上游移动5m,将尾坎始段位置与渐变段始段错开,从而提高跃后水深。试验结果表明,这种措施可以使消力池形成良好流态,从而避免远驱水跃,解决消力池流态问题、消能问题,还可稍减小工程量。     

开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究

开敞式宽大单泄槽溢洪道与一般溢洪道相比易发生水流流态复杂、掺气效果差等工程安全问题。以马来西亚Baleh水电工程为例,采用VOF法与RNG k-ε双方程紊流模型对溢洪道流场进行三维数值模拟。计算分析了不同工况下溢洪道流态、流速、沿程压强等水力特性的分布规律。同时开展1∶50物理模型试验,对比分析数值模拟结果与模型试验结果发现,两者基本一致,验证了开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性数值模拟的准确性与可行性。进而利用紊流模型计算分析了溢洪道掺气坎的优化布置方案,结果表明:1#掺气坎抬高20 cm后,坎后掺气空腔长度由11.03 m增大至19.84 m,消能率提高了6.11%;3#掺气坎沿泄槽陡坡上移15 m后,挑流水舌冲击位置上移,减轻了对挑流鼻坎段水流流态的影响。研究结果对同类工程的优化设计有一定的借鉴作用。     

阶梯溢流坝自掺气水流的数值模拟

从两相流基本方程出发，建立了适用于自掺气水流的数学模型，用明渠自掺气水流进行验证。应用此数学模型模拟计算了阶梯溢流坝面水气两相流的流速场、初始掺气点及消能率等参数，得出了初始掺气点的位置随流量的增加而下移，消能率随流量的增加而减小的结论。