CAVITATION CHARACTERISTICS OF HIGH VELOCITY FLOW WITH AND WITHOUT AERATION ON THE ORDER OF 50 m/s

Experimental study of cavitation characteristics with and without aeration was conducted at the flow velocity 50m/s in the non-circulating type water tunnel in the Hydraulics Laboratory at Zhejiang University of Technology. Variations of pressure and cavitation number with air concentration, pressure waveforms as well as cavitation erosion level of concrete specimen with and without aeration were obtained. The effects of cavitation control by aeration were analyzed.     

CAVITATION CONTROL BY AERATION AND ITS COMPRESSIBLE CHARACTERISTICS

1. INTRODUCTION So far a lot of high dams that are greater than 100 m in height have been constructed in China. And many super high dams over 200 m in height, such as those at the Ertan and Longtan Hydropower Stations, were completed or are under construc…     

PRESSURE CHARACTERISTICS OF CAVITATION CONTROL BY AERATION

1.INTRODUCTION Alotofhighdams,whicharegreaterthan100minheight,havebeensofarcompletedinChi na.Andmanysuperhighdamsover200mhighsuch asErtanandLongtanHydropowerStationswere completedorareunderconstruction.Someof themevenhavetheheightontheorderof300m suchasXiaowanandXiluoduHydropowerSta tions[1].Accordingtoincompletestatistics,nearly30superhighdamswhicharegreaterthan200min heighthavebeensofarcompletedintheworld[2].Becauseoftheheadincrease,flowvelocityin thesehighdamscanreachseveral dozenm…     

NUMERICAL STUDY OF CAVITATION ON THE SURFACE OF THE GUIDE VANE IN THREE GORGES HYDROPOWER UNIT

Large-area erosions such as rust and obvious cavitation were found on the surface of the guide vane in Three Gorges hydropower units. A numerical explanation of the cavitation is given in this article. At first, based on the characteristic performance curves of the prototype hydro-turbine supplied by ALSTOM together with the actual operating conditions, an operating point is chosen for numerical analysis using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations. The flow passages from the inlet of the spiral case to the outlet of the draft tube are included in the computational domain. The results show that the static pressure on the guide vane surface is much higher than the critical pressure of cavitation. Secondly, a tiny protrusion on the guide vane surface is considered and the problem is simplified to a 2-D problem to study the local detailed flow near the guide vane surface. The protrusion is 0.5 mm in height and is 5.0 mm in width. On the basis of the results of RANS simulations, the 2-D problem is studied using the Large Eddy Simulation (LES). It is shown that there exists a region in which the static pressure reaches a level below the vapor pressure of the water. Thirdly, a cavitation model is included for the 0.5 mm protrusion case and another tiny pit case, with a tiny pit 0.3 mm in depth and 1.0 mm in width. The results show that vapor bubble exists at the protrusion entrance and the pit exit as the low pressure regions.     

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。     

高水头船闸阀门顶缝空化切片试验研究

针对日益严峻的高水头单级船闸阀门顶缝空化问题,采用能够真实反映缝隙流特性的1:1切片模型试验,研究阀门顶缝空化特性及门楣自然通气防空化机理。研究表明,随着空化的发展,缝隙段依次发生喉口跌坎空化、主流中心空化和阀门面板空化,缝隙段负压区不断延伸,直至整个缝隙段达到稳定的-10 m水柱负压,压力脉动很小;门楣自然通气通过增加缝隙段压力,消除主流中心空化和阀门面板空化,抑制喉口跌坎空化。当采用门楣自然通气措施后,缝隙段压力稳定在-2 m水柱左右,空化消失,缝隙段水流脉动压力增大;缝隙段压力与单宽通气量近似二次多项式关系,通气量极值对应的缝隙段压力约-2 m水柱,此时缝隙段压力与通气量达到平衡状态,当缝隙段压力逐渐升高时,门楣通气量逐渐降低,直至自然通气停止。     

明流隧洞工作门掺气设施的试验研究

在对某水电站放空洞工作闸门的常压及减压模型试验中，进行了工作闸门的体型比较；讨论了通风洞的进气量、明流洞坎下沿程水流的修气浓度、掺气坎减免空蚀的保护长度；还探讨了门槽空化的特性以及工作闸门掺气设施的方案优化。     

EXPERIMENTAL STUDY OF EFFECTS OF AIR CONTENT ON CAVITATION AND PRESSURE FLUCTUATIONS

This article studies the effects of air content on propeller cavitation and pressure fluctuations. The cavitation is observed while the pressure fluctuations on the hull are measured. When adjusting the air content, the sheet cavitation range does not change distinctly, but the pressure fluctuations see obvious differences. The amplitudes of the pressure fluctuations increase with the decrease of the air content. The results indicate that the air content has little effect on the sheet cavitation range but has an important effect on the bubble cavitation and the tip vortex cavitation. When the air content decreases, the water tensile force increases, which results in the instability of the bubble cavitation and the tip vortex cavitation and the increase of the pressure fluctuations. To minimize the scale effects, the experiments should be run at a high Reynolds number with a high nuclei content. The high Reynolds number is often realized by increasing the flow velocity and the propeller rotation speed, and the high nuclei content is often made by increasing the dissolved air content.     

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。     

针状突体空化结构的高速摄影观察

应用高速摄影技术在直流式水洞中对针状突体的空化结构进行了试验研究。试验流速为8～40m/s,高速摄影机拍摄速率为20000fps,曝光时间为4μs。观察了不同流速下针状突体后空化云的形态以及随流动的演变情况,及不同掺气量对空化云的影响。此外,还给出针状突体空化区包络线（自由流线）的表达式。     

水跃掺气池的掺气特性

针对大单宽流量下传统阶梯溢洪道因流动水深增加,掺气不足,导致极易发生空蚀破坏和消能率降低的问题,提出了一种通过水跃掺气池对阶梯溢洪道流动提供掺气的水跃掺气阶梯溢洪道,采用物理模型试验方法,详细研究了水跃掺气池的掺气特性,包括来流条件、掺气池长度、掺气池尾坎高度、水跃流态对掺气特性的影响。结果表明:在现在的研究范围内,在掺气池内和掺气池尾坎后的区域,无论是底板还是边墙淹没水跃流态都有较好的掺气效果;前述流动参数和结构参数通过影响水跃流态影响掺气效果,在利用水跃掺气池对阶梯溢洪道水流掺气时,流态的控制是重要的。     

与宽尾墩联合使用的台阶面水流掺气问题研究

通过工程试验资料与原型资料的分析类比发现，与宽尾墩联合使用的台阶面近底水流，满足掺气减蚀进气量需要的空腔，必须是台阶初始段有6～8个台阶脱空的空腔，而形成这一空腔的堰面末端掺气坎高度既与坎型有关，也与宽尾墩型式有关。台阶高度对台阶面大单宽过流掺气浓度沿程变化影响很小，掺气浓度随台阶面坡比的变化比较明显，坡度越缓，沿程衰减越明显，同时掺气浓度随堰上水头增加而增大，堰面使用Y型宽尾墩掺气量最大，无墩时最小，使用X墩时，处于二者之间。与宽尾墩联合使用的台阶面大单宽过流掺气量可以满足减蚀需要，而无墩时掺气量不能满足需要。     

溢洪道底板空蚀发生位置及抗空蚀措施分析

以肯斯瓦特水利枢纽工程为例,通过水工模型试验,测试其设计水位工况下和泄洪消能标准水位工况下溢洪道泄洪时底板的流速及压力分布,并根据空化理论模型对其底板沿程空化数进行了计算。结果表明:可以通过溢洪道流速特性和底板压力分布来分析过流面的空化空蚀特点;在实际工程中,可采用优化过流面的体形、设置掺气减蚀设施、控制溢流面的不平整度以及使用抗空蚀材料等方法来防止空化和空蚀的发生。     

掺气分流墩阶梯溢流坝面水力特性试验研究

对有掺气分流墩和无掺气分流墩的阶梯溢流坝面流场进行了对比试验研究。通过对压力、掺气浓度和消能效果等的分析和讨论，得出了掺气分流墩的增设将消除或降低阶梯凹角内和立面上的负压，显著增加了坝面水流的掺气量和掺气范围并提高了阶梯坝面消能率等重要结论。本研究为在大单宽流量下如何提高阶梯式溢流坝的消能率和防止空蚀破坏等方面进行了探索。     

掺气水流的气泡尺寸检测

近年研究表明,高速水流泄水建筑物的掺气减蚀效果,不仅与掺气浓度有关,还应考虑气泡密度;认为0.2 mm或0.5 mm以下的微小气泡在掺气减蚀中起主要作用,可能只要很小掺气浓度即可达到掺气减蚀效果。因此在掺气减蚀研究中,必须加强对气泡尺寸的检测。分析总结了针式掺气流速仪应用经验,建议气泡当量尺寸直接采用探针检测得出的中值尺寸d50。虽然预计d50、气泡间距比实际偏大,气泡密度偏小,但是测量成果对于研究掺气减蚀机理,制定掺气减蚀的新标准,有重大意义。     

掺气减蚀研究的新方向

利用针式掺气流速仪测量掺气浓度场、流速场，气泡尺寸及其概率分布的研究成果表明，原型水流韦伯数高，形成微小气泡的能力比模型强，气泡上浮慢，接近底部的小尺寸气泡概率及掺气浓度比模型大，0．2mm或0．5mm以下的微小气泡可能在掺气减蚀中起着主要作用，完善掺气检测仪器，加强掺气水流中气泡尺寸及其概率分布的观测，比较不同气泡尺寸的掺气减蚀作用，建立多级气泡尺寸的掺气水流数学模型，是今后掺气减蚀研究的新方向。     

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。     

特高速掺气水流对空化的影响

根据特高速掺气水流所表现的可压缩性，利用连续方程和动量方程，并考虑水流粘滞性和脉动影响，将掺气水流当作单向流分析。水流流经不平整体时，其后可产生在掺气情况下仍不能消除的负压。此时，空化已不可避免，且随马赫数增加，掺气反而会使负压值增加，因而，将不再具有减蚀作用。     

脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响

本文对六种不平整突体在正负压力梯度状况下的初生空化数进行了试验研究和理论分析，并根据气泡动力学方程建立了脉动压力与气泡振荡半径之间的关系，讨论了脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响，试验结果表明，同一突体在负压力梯度状况下的初生空化数高于正压力梯度状况下的初生空化数；对于非流线型突体，在负压力梯度状况下空化初生时的壁面脉动压力强度低于正压力梯度状况下的脉动压力强度，脉动压力峰值约为七至十二倍的脉动压力均方根值。     

大型泄洪洞高速水流的研究进展及风险分析

高水头、大流量泄洪洞内高速水流问题主要问题之一是水流空化引起过流表面空蚀。几个实际工程泄洪洞发生空蚀破坏的实例表明反弧段下游一定范围是容易发生空化空蚀的敏感部位，其主要原因是由于反弧段内的水流流速高，流态复杂，在水流离心力的作用下沿程压力梯度大，水流掺气条件差，缺乏有效的掺气保护。掺气减蚀是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施，对水流进行三维掺气的减蚀技术有了较大进展。“龙落尾”式和 “龙抬头”式是高水头、大流量泄洪洞的两种常用布置型式，风险分析认为“龙落尾”式泄洪洞布置对地形地质的适应性更好，即使发生事故对大坝的安全威胁小，也更具有抗风险的能力。