突扩突跌掺气坎底空腔长度计算

突扩突跌掺气坎的底空腔长度既与水力条件和底部掺气坎结构参数有关,也与侧墙掺气坎结构参数有关。以往的底空腔长度计算方法,均针对仅采用底部掺气坎,未设置侧墙掺气坎这类掺气设施,不能反映出侧墙掺气坎结构参数对底空腔长度的影响。本文基于射流微元体受力平衡法,提出了一种求解明流泄水道突扩突跌掺气坎底空腔长度的计算方法,该方法能够全面反映突扩突跌掺气坎底空腔长度受底部掺气坎、侧墙掺气坎结构参数和水力学参数的影响。通过与30组试验资料和已有研究成果的对比,表明本文提出的计算方法具有较高的精度。     

明流泄水道突扩突跌掺气设施空腔长度研究

为了查明短有压进口泄洪洞下游明流泄水道上突扩突跌掺气设施底、侧空腔长度随掺气坎尺寸和水流弗劳德数的变化规律,采用模型试验,测试了不同掺气坎尺寸在不同水流条件下的底、侧空腔长度,分析了无量纲底、侧空腔长度与掺气坎尺寸和水流弗劳德数的相互关系.结果表明:底空腔长度随着挑坎高度的增加、挑坎坡度的增大、侧扩宽度的增加和水流弗劳德数的增大而增大;侧空腔长度与挑坎高度、挑坎坡度关系不大,随着侧扩宽度的增加而增大,随水流弗劳德数的变化规律为:当侧扩宽度较大时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而线性增大;当侧扩宽度较小时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而略微减小.     

掺气减蚀在白莲崖泄洪隧洞中的应用

以白莲崖泄洪隧洞为对象,分析其气蚀产生原因并提出相应应对措施,利用掺气减蚀形成掺气水流保护区以达到避免气蚀的效果.经过泄洪隧洞单体掺气模型试验资料分析,提出采用设两级掺气坎的底版掺气减蚀方案,且为了保护水流边避明流洞进口设侧突扩掺气槽,以进一步完善减蚀的效果.并为该工程选择了合理型式、尺寸的掺气坎,提出了合理建议.     

瀑布沟放空洞掺气设施试验研究

瀑布沟水电站是一座正在建设的以发电为主,兼有防洪、拦沙等综合利用效益的大型水电工程.其放空洞流量大,流速高,坡度小,沿程空化数小,存在高速水流空蚀破坏的可能,应采取掺气减蚀措施.通过模型比尺为1∶30的水工模型试验,综合分析前人研究成果和已建工程原型观测资料,结合瀑布沟放空洞的具体情况,对掺气设施进行试验研究.通过试验研究,确定掺气设施位置,提出了瀑布沟放空洞掺气设施采用中闸室闸门后突扩突跌和明流洞中部U形挑坎后接陡坡的掺气形式,为放空洞掺气设施的选型设计提供参考.     

宽尾墩后局部边墙对掺气效果的影响

为了解决X型宽尾墩后台阶面的掺气问题,本文提出了在宽尾墩后设置局部边墙这一新的掺气设施,采用模型试验对比研究了有无局部边墙情况下阶梯面的流态、压强、掺气效果等特性。结果表明,无局部边墙时,水流出宽尾墩后在阶梯面向两侧扩散,封堵了掺气通道,极易发生空蚀破坏;设置局部边墙后,水流出宽尾墩后由于受到边墙的约束,能形成稳定的掺气空腔,掺气充分,可有效减免台阶面的空蚀破坏。宽尾墩后局部边墙结构简单,易于施工,掺气效果好,可有效解决同类工程的掺气减蚀问题。     

泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动的数值模拟

采用双方程紊流数学模型和自由面VOF方法,对有压泄洪洞弧形闸门突跌突扩出口段三维流动进行数值模拟,获得了空腔形态、侧墙水翅、压力分布等水力学要素,探讨了空腔冲击点涡旋对气流的吸卷作用,并研究了空腔的回水特性.计算与模型实验数据符合良好,表明数学模型对有压泄洪洞弧形闸门突跌突扩出口段复杂流场有较好的预测能力.     

掺气泡对空泡影响的高速摄影分析

为解决高速水流空化产生的空蚀破坏,常在低压区或易发生空蚀部位上游设置掺气设施强迫掺气,而高速水流掺气减蚀的机理涉及空泡动力学问题.通过在直流式水洞中用高速摄影技术对半圆柱突体的空化特性进行观察分析,测量了半圆柱突体后空化区不同直径掺气孔及掺气体积分数下压力和空化数的变化.揭示了半圆柱突体后空化云的形态、随流运动的演变情况,不同直径掺气泡对空化云及空泡和掺气泡相互作用的影响.试验结果表明在流速v＝11.67 m/s,掺气量分别为0.6,0.8,1.0 m3/h的情况下,高10 mm,底部直径为6 mm的半圆柱突体后2 mm掺气孔的空化教会达到最大值,并且最佳掺气孔径会随掺气体积分数的增加而减小.     

国外泄水建筑物掺气减蚀研究

泄槽掺气设施是目前较为通用的工程减蚀措施,前人对其掺气机理与布置形式进行了大量的研究工作,其中,国外的工作侧重于机理研究,主要探讨空化空蚀的发生、水流的掺气过程及气体的逸出过程等,而国内的工作则紧密结合工程实际,重点研究掺气浓度的减蚀效果及掺气设施的布置方式。对国外相关研究工作进行了系统的回顾,希望能够在理论及实践上对我国高坝泄洪的掺气减蚀问题提供一定的借鉴。     

泄水建筑物反弧末端掺气坎的布置研究

在泄水建筑物中,为了减免在高速水流作用下过流面发生空蚀破坏,反弧段末端常常设置掺气坎.工程实践和科研表明,当掺气坎后为小底坡时,空腔内容易出现回水壅堵现象,减小了有效空腔长度,掺气效果不理想.采用数值模拟、模型试验的方法,对反弧末端掺气坎的布置进行了探讨得出:在泄洪洞反弧段末端设置底部掺气坎时,反弧段后附加离心力对底部空腔长度有显著影响.在反弧末段增加水平延长段后,反弧段下切点之后附加离心力具有过渡性质,随着附加离心力的减小,掺气坎后空腔长度有明显增加区间;水平延长段长度与反弧弧长的比在0.16范围内为空腔长度明显增加区间,在此区间内掺气坎后水流的水力特性得到了改善.     

底掺气坎对侧空腔长度的影响

侧空腔长度对射流挟气量及水流流态均有重要影响,采用3维数值模拟,分析了底部掺气坎尺寸对侧空腔长度的影响规律.结果表明,侧空腔长度及侧空腔形态受底部掺气坎的体型尺寸影响较大,随着底部掺气坎尺寸的增大,侧空腔长度增大,其主要原因在于底部掺气坎的尺寸会影响射流跌落至底板的位置,影响射流段动水压力的分布,从而影响射流的横向扩散速率.     

掺气防止消力池辅助消能工空蚀破坏的研究

对与消力池辅助消能工空蚀破坏有关的主要水力要素掺气浓度、时均水动压强进行了有无强迫掺气的对比试验研究,测量结果说明用挑跌坎式掺气设施促使入消力池水流强迫掺气,可以增大水跃主流区掺气浓度、减小易蚀区时均动水负压,有利防止空蚀破坏。另外,也证实了强迫掺气对改善水跃消能有利。     

Experimental study on pressure and aeration characteristics in stepped chute flows

The free flow on the step surfaces has received much attention for its representative body type,flow structure,water-air two phase flow,cavitation,and many complex issues.The experiments about the time-averaged pressure and aeration concentration distribution on the step surface show that the vertical plane of steps will inevitably experience negative pressure,which must rely on adequate aeration concentration to avoid cavitation damage.However,the self-aerated flow at the head section has a relatively low aeration concentration,and the concentration of the entire steps decreases with the increasing of weir head,the minimum appears in the vicinity of the corner,and the location is close to the minimum pressure.Thus,it is necessary to set aerator in the upstream end of the step surfaces to avoid cavitation damage.     

小底坡、低Fr数泄洪洞掺气坎体型优化研究

位于小底坡、低佛氏数泄洪洞上的掺气坎,其体型设计往往存在较大难度。为了查明小底坡、低佛氏数泄洪洞掺气坎体型优化设计的一般规律,采用大比尺的模型试验,对三维掺气坎进行了系统研究。小底坡上的掺气坎,可用过坎射流最高点至底板的距离Tmax和空腔回水作为其体型优化的主要目标,良好的掺气坎应使空腔回水最少时Tmax也较小。试验结果表明:Tmax的主要影响因素为平均坎高及掺气坎横断面的型式,平均坎高愈小,Tmax愈小;横断面为凸型的凸型坎,可以减弱出射水流横断面上水面线的凹形分布,能使Tmax相对较小;空腔回水的主要影响因素为平均坎高及坎高差,适当增加平均坎高及横向坎高差,对消除空腔回水有利;在小底坡掺气坎体型优化中,三维掺气坎较二维连续坎有明显的优势,特别是凸型坎,容易达到空腔回水少,同时Tmax也较小的优化目标。     

射流曝气微细气泡的PIV测量

射流曝气产生的微细气泡是影响氧传质效率的关键。在射流曝气传质学原理的基础上,通过搭建PIV实验台对设计加工的射流曝气器产生的微细气泡直径等参量进行测量。结果表明,其产生的微细气泡粒径小、分布均匀,气泡上浮平均速度小,横向平均速度大、有漩涡。这些特点均有助延长气泡滞留时间或加强扰动,提高氧传质的效果。     

高速明流泄洪洞的通气量分析与研究

对于高速明流泄洪洞的进气量和出口的出气量,通过模型试验,从宏观方面进行了数据分析与研究.研究结果表明:泄洪洞中闸室的进气量并不是随着泄洪洞水体流量的增加而增加,而是与闸门后水流的Fr相关;泄洪洞内由水流的自掺气引起的进气量随着水流的Fr增大而增大;在泄洪洞的出口,当库区水位一定时,随着中闸室闸门的开度的增加,出气量随水流的Fr的增大不断增加,然而当达到某一临界值后开始急剧减小;当闸门全部开启后,随着库区水位的上升,出气量随水流的Fr的增大不断减小;出口断面处水体的掺气浓度随水流Fr的增大而增大.     

Cavity length below chute aerators

It is proved that air entrainment is one of the efficient measures dealing with cavitation control for the release works of hydropower projects. There are many factors to be considered in designing a chute aerator. One of the most important factors concerns the cavity length below the aerator, which has outstanding effects on air entrainment against cavitation damage. It is crucial to determine reasonable emergence angle for the calculation of the cavity length. In the present paper the overall effects of structural and hydraulic parameters on the emergence angle of the flow from the aerator were analyzed. Four improved expressions of the emergence angle with weight coefficient were investigated through experimental data of 68 points observed from 12 aerators of 6 hydropower projects, of both model and prototype, on the basis of error theory. A method to calculate the cavity length below aerators was suggested, which considers overall effects of the above mentioned parameters. Comparison between the method in this paper and the other five methods of calculating the cavity length showed that the present method is much more reliable than the existing methods while the mean error of the method is less than others. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50539060) and the Innovative Project of Graduate Student in Jiangsu Province (Grant No. 2005-60)     

明渠自掺气水流速度分布的试验研究

针对现有掺气水流速度实测资料较少，且测量结果存在较大差异，采用针式掺气浓度仪对自掺气水流的流速进行了实验研究，结果表明：明渠自掺气水流的速度存在一个自底面向水面方向不断增大，然后再逐渐减小的过程；依据测量所得的掺气浓度与流速资料，采用分段求和的方法得到的断面统计流量与实际流量的误差很小，表明测量结果是可靠的。将试验结果与前人的研究成果进行分析比较发现：掺气水流的速度分布与水流是属于部分掺气、完全掺气还是强烈掺气等有关。前人在研究掺气水流的速度分布规律时，之所以得出了不同的掺气水流速度分布规律。是由于掺气强度不同所致。