导流洞改为旋涡式竖井溢洪道综合研究

结合我国一些水电站工程，对导流洞改建为旋涡式竖井溢洪道进行了综合研究。首次采用了压力短进水口出流为急流的引水道分别同涡井和涡室两种旋涡结构的连接型式，通过水工模型试验优选涡井（室）体型，并系统地研究其设计方法和水力学特性，为今后旋涡式竖井溢洪道设计提供了依据。     

旋流式竖井溢洪道竖井的水流特性研究

本文在对旋流式竖井溢洪道的实验研究基础上着重分析了该消能工的消能机理，讨论了水流旋流数和水流的涡粘滞系与消能率的关系，并建议了简易可行的数值计算方法。在研究中也发现了竖井边壁上的剪应力过大这一在具体应用中需要注意的问题。     

高水头大泄量旋涡竖井式泄洪洞的设计研究

通过几座水电站的导流洞改建旋涡竖井式泄洪洞的试验研究，优化结构体型，改善流态，降低流速防止结空蚀，避免出口冲刷和雾化现象。使研究成果能满足高水头、大泄量泄洪洞的设计要求。文中主要对此型式泄洪洞提出设计原理和系统的设计方法，并根据自由旋涡理论和能量方程导出旋涡竖井泄流能力、合成速度以及壁面压力等水力学计算公式。     

适合高山峡谷高坝泄流的涡流式竖井溢洪道

研究成果表明：竖井涡流消能工具有良好的水力特性和消能效果，消能率在５０％以上，当考虑到高水头大流量、高流速运行条件时，会受空化空蚀及流动失稳等问题的困扰，而修建涡流式竖井泄洪洞是解决了述难点的有效技术措施。因此，选用涡流式竖井溢洪道，不失为改建导流洞为泄洪洞或修建泄洪洞的较佳选择。     

适合高山峡谷高坝泄流的涡流式竖井溢洪道

研究成果表明，竖井涡流消能工具有良好的水力特性和消能效果，消能率在５０％以上，当考虑到高水头大流量高束充速运行条件时，泄水建筑物会受空化空蚀及流动失稳等问题的困扰，而修建涡流式竖井溢道是解决上述难点的有效措施。因此选用涡流式竖井溢洪道不失为改建导流洞为泄洪洞的较佳选择。     

大石门水电站脱壁流竖井式溢洪道设计及应用

为解决大石门水电站峡谷河道工程布置困难问题,采用了竖井式溢洪道泄洪,并在竖井底部设消力井进行一级消能,以简化洞外消能工。工程布置采用加大溢洪道竖井直径,并以突然扩大断面的形式与进水喇叭口末端连接,利用通气管向突扩断面大量补气,使水体与井壁之间形成气幕,水流以脱离井壁的方式下泄,增加掺气,减轻空蚀破坏;将下游泄洪洞的城门洞形断面向上游旋转90°,形成断面形式为城门洞形消力井,这种断面形式不同于传统的圆形消力井,不仅简化了施工,而且有利于水流扩散,有效提高了消能效率。经模型试验验证,这种脱壁流竖井式溢洪道形体设计及参数符合设计要求,用于工程后,较好地解决了峡谷河道施工导流和总体布置的干扰问题。     

急流小流量旋流式竖井涡室流态试验研究

旋流式竖井是一种比较良好的泄水道,目前研究工作集中于急流大流量或来流为缓流小流量情况。某尾矿库排洪管为急流小流量,通过水工模型试验研究这种水流的涡室体型流态。针对急流小流量旋流,对圆弧、椭圆曲线涡室体型进行比较择优,选取了比较合适的体型;并对试验中出现的问题进行了分析研究,主要解决了涡室流态问题,经优化,所推荐椭圆体型涡室流态理想,满足工程设计要求。     

金平水电站竖井溢洪道设计

金平水电站大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，不允许布置坝身泄水建筑物。两岸岸坡较陡，无天然垭口，且多被深覆盖层覆盖，岸边泄水建筑物布置困难。经研究认为布置竖井溢洪道可利用导流隧道作为退水隧洞，既有效的解决了泄水建筑物布置困难．又节省工程投资。     

旋流式竖井涡室结构优化试验研究

前人研究结果和具体工程的试验表明,旋流式竖井的涡室结构可能存在过流时涡室空腔较小、偏心严重,且流态较差等问题.为解决这些问题,结合具体工程,通过理论分析和试验研究,给出涡室半径r1与竖井半径R、涡室半径r2与r1的定量关系,涡室圆弧半径宜为竖井半径的1.5～1.6倍,r2宜为r1的0.58～0.625倍;重新定义跌坎为导流坎,其与引水道边墙的夹角以0°～10°为宜.通过水工模型试验验证,本简化方案结构简单,能有效改善涡室内流态,减小工程量,对类似工程设计有重要的参考价值.     

新型旋流环形堰竖井泄洪洞数值模拟和特性分析

生态环境友好型的洞内旋流消能工是当前泄洪消能领域一个重要的研究热点和方向。为克服以螺旋型经典涡室或传统喇叭形堰构成的旋流竖井泄洪洞易出现的漩涡、气爆、振动、防空蚀设施复杂等难题,改变一般的防漩、消涡观念,提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,虽脱胎于常规喇叭形竖井泄洪洞,但在泄洪流态和消能防蚀方面又另辟蹊径。作为一种新型的旋流布置体型,已有研究缺乏系统性,其复杂的水流特性并不是十分明了。依托广东清远抽水蓄能电站泄洪洞工程,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动进行了三维数值模拟,并对部分水力参数的特性进行了解析计算,获得了该新体型旋流空腔流态、自由水面、合成流速、压力等水力要素的分布规律。结果显示:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量值吻合较好,模拟值与初步建立的新体型水力特性理论解析值较为接近,表明解析计算方法具有一定的实用价值。模拟计算结果为进一步明晰新型环形堰竖井泄洪洞各部分水流特性和揭示自调节潜水起旋墩的旋流运动机理提供依据。     

新型竖井泄洪洞自调流机理和特性研究

该文提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,在泄洪流态和消能防蚀方面与常规喇叭形竖井泄洪洞有较大不同。为明晰该新体型的调流机理和系统水力特性,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动进行了数值模拟研究,获得了该新体型进水口流态、旋流空腔发展过程、竖井内部流态、平洞自由水面、压力等主要水力要素的分布规律。结果表明:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量趋势上一致,量值上吻合较好。模拟结果也较好揭示了自调节潜水起旋墩的旋流、自调流机理以及泄洪洞的消能原理。     

兼有深水孔的旋流喇叭形竖井泄洪洞设计原理

基于旋流防蚀、消能、避免产生雾化和保护生态环境的理念,研究一种在高水头旋流喇叭形竖井下设置深水孔的新型泄水结构物,其特点是泄洪和放空水库(或排沙和引水)共用同一个竖井和导流洞,结构简洁、运行安全和经济。文中系统地介绍了旋流喇叭形竖井及深孔引水道同涡井连接结构的设计原理,并给出深孔不参与和参与泄洪时的工程案例设计。本文通过以往的研究成果优化组合,创造出带有双层进水口的一条泄洪洞,用以取代传统的两条泄洪洞,故可以节省大量工程投资。由于喇叭形进水口及深层引水道都有起旋设施,使竖井产生空腔通气的旋转流运动,可以消减井、洞内的负压,防止结构物空蚀和提高消能率,因此,出口流速低,可以避免发生雾化现象。故本研究成果具有学术价值和广泛的应用前景。     

超高水头竖井旋流泄洪洞不同湍流模型数值模拟

基于VOF法,分别选取标准k-ε紊流模型、RNG k-ε紊流模型和Realizable k-ε紊流模型,对某一超高水头、大泄量竖井旋流泄洪洞的水力特性进行数值模拟,并将紊流模型计算结果与模型实验数据进行了对比分析。结果表明:3种紊流模型模拟计算所得的空腔直径、竖井壁面压强、旋流角等参数变化趋势与模型试验测试结果基本相同,但量值有所差别。相比较而言,Realizable k-ε紊流模型计算所得旋转水流的空腔直径、压坡底板与部分竖井壁面压强、旋流角在量值上更接近试验测量值。因此,Realizable k-ε紊流模型能够更好地模拟这种具有超高水头、大泄量、强旋转并带有自由液面旋转水流的水力特性。     

竖井进流水平旋转内消能泄水道流速分布的试验研究

本文从分析图1所示的竖井进流水平旋转内消能泄水道的基本流态与泄流量变化规律出发，对该种泄水道的流速分布提出假定，并给出具体表达形式。根据试验量测资料，对轴向流速、环向流速及有关物理量的变化规律进行了分析与研究，这对该种泄水道水力特性的分析、计算与设计均有重要的参考价值。     

吉音水利枢纽竖井旋流泄洪洞水力特性试验研究

通过1∶30的水工模型对吉音水利枢纽竖井旋流泄洪洞的水流流态、压力分布、流量系数等水力特性进行了研究,分析了在进水口溢流堰末端增设掺气坎对进水口及竖井内流态及通气孔风速的影响。研究结果表明:在溢流堰末端增设掺气跌坎有利于减小溢流堰面的负压、防止空蚀破坏、简化进口体型设计,且有利于泄洪洞的安全运行。     

竖井旋流泄洪洞涡室整流挑坎试验与数值模拟

已有竖井旋流的研究成果表明,涡室进口处水流的起旋对整个涡室流态的影响很大,如何使水流在进入涡室段时能稳定起旋,并贴壁形成稳定空腔,是决定整个竖井旋流消能效果的一个关键性因素。通过试验与数值模拟相结合的方法,研究了涡室进口处整流挑坎的体型对涡室流态的影响,提出了一种新的整流挑坎——楔形挑坎。试验表明,这种挑坎形式与传统圆弧挑坎相比能更好地引导涡室进口处水流的起旋,改善涡室内水流流态。对类似工程设计具有重要的参考价值。     

导流洞改建为跌流式竖井溢洪道的试验研究

结合某水电站导流洞改建永久性溢洪道试验,研究了跌流式竖井溢洪道的水力特性,并对消力井布置进行了优化研究。研究表明,该溢洪道自环形进水口以下采用突扩方式与竖井连接所形成的脱壁水流结构,与传统的贴壁式竖井的水流结构具有明显不同,不仅可以有效避免竖井段因水流流速较高可能造成的空化空蚀破坏,降低施工难度,而且有利于水舌掺气并促进消力井消能。该研究提出的消力井优化布置体型,与传统的布置形式相比具有更高的消能效率,消能效率可以达到83%以上。     

旋流竖井式泄洪洞关键技术问题研究

旋流竖井泄洪洞的关键问题是:(1)涡室进口与竖井连接段跌坎处易产生负压;(2)高尾水位泄洪洞排气难,出口易发生气爆。针对这两个问题,通过试验研究提出消除涡室连接段负压和防止泄洪洞出口气爆的简易工程措施并介绍了涡室、竖井结构尺寸优化研究成果。