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。     

洞内淹没射流及水平旋流梯级内消能的适用性研究

为了适应高水头泄洪消能的需要,提出了一种新型的泄洪内消能工,即洞内淹没射流与水平旋流梯级内消能工。以流量1 200 m3/s、最大总作用水头150m为标准进行了该消能工的体型设计,然后对设计的消能工进行了1∶60.25几何比尺下的水工模型试验。结果表明:下游出现与明渠相似的多种水跃流态,淹没射流孔口系数0.5~0.56,起旋器喉口流量系数0.32~0.35之间;旋流空腔直径先增大后迅速减小最后平稳,在旋流阻塞孔口处空腔直径又迅速增大最后稳定;下游水位H下小于2.0 D时,下游旋流洞段压强相对变化幅度较小,H下大于2.0D时,上下游水位对旋流洞压强影响较大;上游水位的变化不影响淹没射流速度相对变化,下游水位的变化,对水平旋流洞段影响较大;上游淹没射流消能、竖井消能、旋流洞消能与下游旋流阻塞扩散消能的消能率分别占总消能率的15%、10%、30%、10%,其中下游水平旋流洞段承担主要消能部分。     

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。     

水平旋流内消能泄洪洞段与尾水洞段流态适用性研究

为了探究水平旋流内消能泄洪洞段与尾水洞段流态适用性条件,建立了一种新型的泄洪内消能工水力模型,即洞内淹没射流与水平旋流梯级内消能工。试验以原型流量1 200 m3/s、最大总作用水头150 m为标准进行了模型试验的体型设计,然后对设计的该消能工进行了1∶60.25几何比尺下的水工模型试验。结果表明:当1.5X/D9.1时,旋流洞内空腔直径沿程先增大后迅速减小最后平稳,当9.1X/D10.3时,空腔直径呈现出逐渐增大并最终稳定至r/D=0.45左右的趋势;上游水位对于下游尾水洞段的流态影响条件不大,当下游水位0.5D﹤h﹤0.85D时,旋流洞与尾水洞内会形成旋流远驱水跃流态,当下游水位0.85D﹤h﹤0.95D时,旋流洞与尾水洞会出现旋流临界水跃流态,当下游水位0.95D﹤h﹤3.2D时旋流洞与尾水洞会出现旋流淹没出流流态。     

水平旋流泄洪洞的基本流态与影响因素

通过模型试验,对上下游水位、通气孔直径、水平洞洞长和起旋器收缩断面面积比对水平旋流泄洪洞的流态的影响进行了研究。结果表明,在竖井为有压流的条件下,水平旋流泄洪洞的流态可分为自由流、吸吮流和淹没流3种基本流态,流态的分类与转变受各种因素的影响;通气时,水平旋流洞内旋流的空腔直径大而均匀,水流旋转的强度增大;不同的洞长,流态从吸吮流向淹没流转变时过渡区的相对上下游水位差相同,但洞长越大,吸吮流的范围越大,转变为自由流流态时所需要的起旋器出口的水流弗劳德数也越大;起旋器出口面积比不同时,流态分区的临界水力条件是不同的。     

旋流阻塞复合式泄洪洞的水力特性（1）

对旋流阻塞复合式泄洪洞的体型设计进行探讨,并通过模型试验对其流态和水力特性进行了研究。阻塞对水流流态有明显的影响,水平旋流阻塞复合式洞的水流流态可划分为不完全旋流以及完全旋流2种基本流态。泄流能力由起旋器与阻塞共同控制,阻塞孔径对泄流量影响较大,但阻塞位置对流量影响不明显。如考虑阻塞的影响,泄流量计算公式的形式可不变。阻塞影响系数ξ与d/D的关系近似为线性关系。阻塞对通气孔的通气状态产生明显影响：不同阻塞设置位置相同时,阻塞孔径越大,通风量越大;相同阻塞设置位置不同时,越靠近下游,通风量越小。     

公伯峡水电站右岸旋流泄洪洞起旋器混凝土施工简述

竖并旋流消能形式在目前国内在建工程中尚属首例。其中起旋器在该泄洪建筑物中有着极其重要的作用，是竖并与导流洞下平段衔接关键部位。起旋器的体型较为复杂，体型精度要求很高，施工难度大。通过精心设计模板，精心施工，确保了精度要求。     

旋流阻塞与旋流扩散复合式内消能泄洪洞的水力设计

 结合雅砻江两河口水电站后期3^#导流洞和大渡河猴子岩1^# 导流洞的改建,在研究旋流阻塞和旋流扩散复合消能泄洪洞的水力特性基础上,对该类型复合式旋流内消能泄洪洞的设计原理与方法进行研究探讨,和开敞式进口、起旋器、阻塞与旋流渐变扩散段的体型进行了设计与计算,为1 000m³/s以上泄流量、150m作用水头量级的导流洞改建为旋流内消能泄洪洞工程水力设计提供参考。     

旋流阻塞复合式泄洪洞的水力特性(2)

 通过模型试验对旋流阻塞复合式泄洪洞的压力、旋流角和空腔直径等水力特性进行了研究。设置阻塞后,起旋器与阻塞之间的水平洞段正压力明显增加与均化,沿程压力变化减小;由于离心力与旋流的作用,阻塞出口之后是完全掺混的水气两相流,阻塞后流速降低,空化的可能性减小,旋流洞段的范围极大地缩短;空腔直径减小,通风量需求减小。因此可利用水平旋流内消能泄洪洞的阻塞效应,进一步改善导流洞改建时的结构设计与防护措施。     

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。     

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。     

泄洪洞有压出口渐变段及工作闸门室体型优化

针对黄金坪水电站1号泄洪洞原设计方案有压出口渐变段顶板存在负压,在工作闸门小开度运行时工作闸门室底板出现大范围负压,容易引起空蚀等问题,根据水力学模型试验,提出通过增加有压渐变段长度、改变工作闸门室底板连接形式,对有压出口渐变段及闸门室体型进行优化。试验实测结果表明,优化后的有压段出口顶板及闸门室底板在各种运行工况下均没有出现负压,闸门室底板水流空化数显著增加,提高了泄洪洞安全运行的可靠性。     

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。     

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF DISCHARGE TUNNEL WITH VORTEX DROP

The velocities at given points in the volute chamber,the contracted section and the vertical dropshaft of a discharge tunnel with vortex drop were measured by a small specially designed L-shaped tube,as Laser Doppler Velocimetry(LDV) or Particle Image Velocimetry(PIV) would not work there due to the special structure of the discharge tunnel with vortex drop.Hydraulic empirical formulas were proposed to predict the velocities and the angles of the velocities made with the vertical direction θ.The theoretical analysis results were in good agreement with experimental data.Therefore,the method proposed in this paper can be used to analyze related characteristics of discharge tunnels with vortex drop.Additionally,different model scales were considered to predict the cavitation characteristics on the wall of a dropshaft in practical engineering.     

某低水头大流量长引水式电站调压室设计

调压室的设置是减小水锤压力在水道中传递的有效方法之一,而调压室断面的大小则受托马稳定条件的制约。按托马稳定断面公式计算的低水头大流量长引水式电站稳定断面往往较大。结合某工程实际运行情况,考虑了电力系统的影响,论证了调压室断面减小的可能性,并拟定了适合该工程的调压室体形,最后通过过渡过程仿真计算论证了所采用调压室体形的合理性。     

猴子岩2#泄洪洞体型优化

根据国内外导流洞改建泄洪洞的经验,认为猴子岩2#泄洪洞适合采用洞塞式内消能工,通过对其进行模型试验研究,从泄洪洞的泄流量、洞塞内的压力和空化数几方面进行了比较研究,对2#泄洪洞的洞塞体型进行了优化.经过优化后的推荐体型消能效率高,水流特性好,同时也有很好的空化特性.     

泄洪洞工作闸室及陡坡明渠段体型优化数值模拟

对九甸峡水电站右岸泄洪洞工作闸室,包括圆直段、圆变方段、方洞段、弧形闸门段、渐变段和明渠段流场进行了数值模拟。获得了水面线、压力、空化数、流速等水力要素。成功捕捉到了压力洞出口处的水翅、突扩跌坎处侧空腔和底空腔。计算结果与实测数据符合较好,根据计算结果,提出了能解决原方案负压区严重和明渠陡坡空蚀破坏问题的泄洪洞体型修改方案。     

旋流式竖井泄洪洞消力井井深优化研究

旋流式竖井泄洪洞是导流洞改建为泄洪洞的一种有效方式，采用消力井衔接竖井与导流洞，具有体形简单、安全可靠等特点，但其体形对导流洞的水流流态有直接影响，最优化研究的重点之一。来此，在《小湾水电站大型导流洞改建泄洪洞研究》的基础上，针对小湾水电站水头高、流量大的泄洪特点，通过试验研究，对比分析了不同井深方案消力井底板冲击压强的分布特性和井深对消能率的影响，提出消力井的合理井深为竖井直径的0．7－1倍。     

引江补汉工程段中分层减压控制闸布置与体型研究

引江补汉工程段中控制方案将控制闸设置在 164?km 处，以避免局部段内压过高的问题，主要从水动力特性 的角度论证洞线总体布置及控制闸布置与体型的合理性。采用一、三维数学模型与物理模型相结合的复合模型 开展相关研究：一维水锤数学模型用于闸门启闭过程的全线水力过渡过程分析，通过优化计算，得到相对较优的 闸门启闭过程，同时为控制闸段的三维数模与物理模型提供边界条件；三维水气两相流数学模型与物理模型模拟 分析闸室与调流池流态与水面波动、中孔溢流面压力分布等水力指标，同时为一维数学模型提供控制闸泄流能力 曲线。结果表明：当控制中孔弧形门以先慢后快的三阶段变速率过程开启时，可将全线的最大水锤压力压值在规 程允许范围内；中孔溢流面压力分布正常，调流池内水体消能充分，下有压洞进口前沿水面波动较小，未见吸气旋 涡等不利流态。引江补汉工程工程采用段中分层减压控制的总体方案是可行的，控制闸布置与体型合理，研究方 法可供类似工程参考。