低数、小底坡泄洪洞掺气设施研究

泄洪洞具有高流速、低Fr数和小底坡的特点,掺气空腔容易产生回水,布置掺气设施的难度较大。采用模型试验和理论分析相结合的方法对泄洪洞掺气设施进行研究。通过比较掺气挑坎高度、坡度、坎后底坡及衔接形式,分析这些特征参数对空腔回水、通气量及流态的影响,拟合了空腔无回水的临界Fr数与挑坎高度的关系式,总结了掺气设施体形优化方法,研究成果已被实际工程所采用。     

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.     

挑坎型掺气减蚀设施过流掺气特性研究

采用一维激光测速系统，对掺气减蚀工程中常用的直线型挑坎的流场特性进行试验研究．通过测量挑坎上及空腔区水流的流速分布及紊动特性，探讨通气量与紊动强度的关系．同时在深入研究流场特性和掺气机理的基础上，通过分析影响掺气的因素，从理论上探求临界掺气流速的计算，重点分析挑坎型掺气过流在空腔负压较大的情况下，临界掺气条件的理论预测，并通过试验资料验证了该计算方法．在此基础上，还进一步研究了掺气量的计算公式及其变化规律．     

高水头泄水建筑物掺气设施研究综述

根据国内外大量的工程实例,在前人研究的基础上,总结了高水头、高流速下泄水建筑物掺气设施的几个主要水力特性,包括掺气坎体型尺寸、空腔长度、空腔负压、掺气井通风量与掺气保护长度等,同时对具有高水头、高流速、小底坡、低弗劳德数等特点的泄水建筑物掺气设施体型研究成果进行了综述,指出目前掺气减蚀理论研究落后于工程实践,有待进一步的深入研究.     

泄洪洞突跌掺气坎后无压洞底坡段的变化对掺气影响的研究

针对大渡河金川水电站泄洪洞闸后突跌掺气坎空腔回水严重,造成泄洪洞掺气困难的问题,经过系列优化,提出了较优的掺气坎体型,同时针对导流工况低弗氏数情况下掺气坎效果不佳的问题,提出了导流期结束后再修建掺气设施的建议,可以为类似工程提供参考。     

跌坎型掺气槽过流的掺气特性

本文在分析实测资料的基础上，探讨了无挑角跌坎型掺气槽空腔区水舌的掺气特性，并重点研究了射流水舌的掺气超始流速，掺气层厚度，断面浓度分布以及通气量等参数的理论预测。     

侧掺气空腔长度计算方法研究

掺气空腔长度是衡量掺气减蚀效果的核心水力指标。针对关于侧掺气空腔长度计算方法的研究成果偏少的现状,通过模型试验和量纲分析,对陡槽上不同坎高和坡度侧掺气坎的空腔特性和射流扩散特性开展了研究,分析侧掺气坎体型参数及来流水力学参数对侧空腔长度的影响,推导出侧空腔长度计算公式,并采用多组实验数据进行了验证。结果表明该公式能较准确地估算侧掺气空腔长度。     

掺气坎后射流空腔积水的二维 紊流数值模拟

在不考虑掺气浓度分布情况下将掺气坎上的水流流动按水气分层两相流进行研究,采用 VOF方法和k}e紊流模型进行数值模拟,得出了不同类型坎下积水情况和水舌形态。研究认为,掺 气坎体型尺寸及下泄流量不变时,掺气空腔内积水程度随泄槽底坡加大而减弱直至消失;掺气坎体型 不变,佛氏数的变化仅随流速变化时,佛氏数增大则积水程度减弱直至消失。对某大型水利工程放空 洞掺气挑坎的数值计算结果与试验结果吻合较好,表明将紊流数学模型用于掺气坎后射流空腔积水的 数值模拟是合理可行的。     

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。     

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。     

EXPERIMENTAL STUDY ON A NEW TYPE OF AERATOR IN SPILLWAY WITH LOW FROUDE NUMBER AND MILD SLOPE FLOW

Experimental study on aeration characteristics of various aeration devices was conducted in the spillway tunnel of the Pubugou hydropower project, Sichuan Province, China. It is shown by comparison that the new type of aeration device, namely, the aerator with a trapezoidal-shaped slot and a steep-slope section(ATSS), can avoid water accumulation in the cavity of the aeration device in the project, thus can effectively solve the backwater problems arising from this project and be used for a wide range of different water levels, without any drain facilities. Above the water level of 840 m, the water contained in the cavity can be eliminated completely, which means that the recommended new type of aerator can meet the aeration demands in the spillway of the project with low Froude number and may be of practical significance and of interest to other projects with similar types of aeration devices.     

大岗山水电站掺气坎数值模拟分析

对大岗山水电站1#掺气坎采用常规挑坎体型和新掺气坎体型进行数值模拟计算,分析水位工况下的水流流态、水流的压力分布、水流速度分布、空腔特性等。结果表明新掺气坎体型具有较好的掺气效果,对类似项目有一定的借鉴作用。     

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。     

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。     

高水头泄水建筑物掺气坎体型研究

对具有高水头、大单宽流量的泄洪建筑物，工程中通常采用强迫掺气减蚀措施防止壁面发生空蚀破坏。本文主要通过物理模型试验研究方法，对高水头龙抬头明流泄洪洞反弧段下游底板和侧墙掺气减蚀进行了研究，提出了一种底部突跌凸型坎和侧墙加贴角联合掺气的新型掺气坎，解决了洞顶余幅、底空腔内回水和突缩引起掺气坎后形成水翅之间的问题。采用这种新型的掺气坎体型后，底空腔内没有回水，同时消除了反弧段后侧墙出现的清水区；侧空腔畅通并直接和底空腔相连，对侧墙和底板都起到了很好的保护。该体型对类似工程的设计及修复具有一定参考价值。     

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。     

泄洪洞中闸室出口侧墙掺气体型研究

为消除中闸室出口侧墙上的掺气盲区并且改善水流流态,该文提出了突扩-渐扩侧掺气体型。采用RNG k-ε紊流模型对此掺气体型进行数值模拟,获得了侧墙上水流流态、压力分布以及水翅强度等水力特性。利用物理模型试验对计算结果进行验证,计算结果具有可靠性。结果表明:出闸水流弗劳德数一定时,侧墙突扩宽度和渐扩长度是影响水翅强度的主要因素,突扩宽度越大或渐扩长度越短,水翅强度越大;侧墙压力中心主要是由出闸水流冲击泄洪洞底板造成的;此掺气体型能形成稳定侧空腔并且侧墙上无负压产生,能够有效避免空化空蚀。     

FLOW REGIMES BELOW AERATORS FOR DISCHARGE TUNNELS

The flow regimes below an aerator influence directly the air entrainment and the cavitation damage control. Based on the theoretical considerations, the experiments of the aerator for a discharge tunnel were conducted, and the relationships between the flow regime and hydraulic and geometric parameters were investigated. The results showed that, there are two kinds of threshold values for the flow regime conversions. One is1-2Fr standing for the conversion from the fully filled cavity to the partially filledcavity, and the other is2-3Fr which shows the change from the partially filled cavity to the net air cavity. Two empirical expressions were obtained for the conversions of the flow regimes, which can be used in the designs of the aerators.