三河口水利枢纽表孔泄洪消能方式研究

三河口水利枢纽为碾压混凝土拱坝设计,主要泄水建筑物是三孔泄洪表孔和二孔泄洪底孔,均采用挑流方式消能。为减轻对坝脚及下游河床的冲刷,在坝下游设置水垫塘。原方案时,表孔的泄流集中,导致水垫塘内的冲击压力较大,对水垫塘的安全运行不利。经过试验研究,最后选定的方案能最大限度的使水流分散,水垫塘内的流态及压力分布明显改善。     

基于全流道非定常流动计算的轴流式水轮机尾水管压力脉动分析

以轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值模拟为基础,对轴流式水轮机尾水管内的非定常流场进行了分析,研究了尾水管内涡带的形态,对尾水管压力脉动的幅值和频率特点进行了分析.结果表明,大流量工况时,在尾水管内形成了一个与转轮旋转方向相反低压涡带,引发了低频压力脉动,这种低频压力脉动是水轮机中压力脉动的主要脉动源之一.     

混流式水轮机转轮区叶道涡压力脉动数值研究

混流式水轮机在偏离最优工况区运行时,不但在尾水管中有明显的旋转涡带,在转轮区也会有涡束沿着叶片流出,我们称之为叶道涡.随着大型混流式水轮机的广泛应用,叶道涡有可能对机组的稳定运行产生影响.本文利用数值模拟技术对某混流式模型水轮机转轮内压力脉动进行研究.研究表明:转轮区的压力脉动主要是由叶道涡诱发的,叶道涡的频率基本等于转动频率.     

拱坝水垫塘拱形底板受力与稳定性实验研究

高拱坝枢纽采用坝身泄洪、水垫塘消能是一种较好的布置型式,但水垫塘底板的型式和尺寸及其泄洪时稳定性是它的关键技术问题。本文所研究的拱形底板是一种新型的底板型式。通过实验分析,研究了冲击射流下拱形底板失稳型式,量测了底板上、下表面压强分布,概化了时均上举力（上、下表面时均压强差）的计算公式,实测了动水荷载作用下拱端推力。研究表明：拱形底板具有整体稳定性特征,它可能是高拱坝大流量泄洪水垫塘比较理想的保护型式。     

高坝水垫塘泄洪安全实时监控系统研究

为及时掌握水垫塘防护结构的运行性态,建立水垫塘防护结构的监控系统是十分必要的。在总结了高坝泄洪消能防护结构破坏的关键因素、动态作用机理基础上,提出了高坝泄洪防护结构安全监控的理论模型、监控指标和实现的手段,建立了高坝泄洪安全的风险实时综合评价和控制体系。并采用现代计算机、网络通讯技术开发了水垫塘泄洪消能安全实时监控系统。系统实现了数据的自动化采集、存储、分析和故障状态的实时报警,整个系统可由后方监控中心远程控制,配合了电厂的“无人值守”运行模式。     

高拱坝分层多股射流水垫塘冲击压强研究

针对表孔采用宽尾墩深孔采用窄缝坎新型消能形式,利用物理模型试验研究表深孔联合泄洪形成的分层多股射流在不同流量比情况下对水垫塘底板的动水冲击压强特性的影响。建立了表深孔流量比对水垫塘底板的动水冲击压强变化的关系,实验证实了上游水股产生的水垫对下游水股冲击压强确实具有减小的作用,水垫塘内流态稳定,消能充分,深孔射流产生的最大冲击压强随着表深孔射流流量比的逐渐增大而减小。该研究可为实际工程中合理确定分层多股射流流量比提供参考依据,为峡谷区高坝工程的坝身泄洪消能布置及水垫塘的抗冲防护和结构稳定性分析提供有力科学依据。     

低气压环境中的挑流水舌动水压强实验研究

随着我国高坝建设的发展，西部高海拔地区低气压环境下的高速水流特性对高原建坝提出了新的挑战。本文采用实验的方法来研究环境气压变化对水舌挑距和水垫塘内动水压力特性的影响，为高海拔地区建坝提供技术指导。研究发现减压使水垫塘中的动水压强增大，气压降低10 kPa，时均压强最大可达3.9%，脉动压强最大可达5.5%；同时在低气压环境中水舌的挑距受到水舌在空中掺气扩散的影响，由于模型和原型相似律的原因，空气阻力对水舌挑距的影响在模型和原型中有所不同，但环境气压降低，空气密度和空气阻力减小，水舌在空中的掺气也会减少，即水舌扩散程度降低，低气压下水舌更加集中。     

水泵水轮机导叶卡门涡数值模拟研究

利用数值模拟方法,模拟水泵水轮机不同工况下,导叶出水边的卡门涡现象,揭示导叶下游侧流场涡量分布、导叶出水边附近卡门涡流动状态和流场脱流等。提取监测点速度变化曲线和导叶壁面垂直流向合力变化曲线,通过数据处理,获得水轮机工况和水泵工况,导叶出水边卡门涡频率分别是84.9Hz和53.3Hz。通过对比分析,证明利用经验公式计算得到的卡门涡频率存在较大误差,而数值模拟方法具有较高计算精度。研究结果对水泵水轮机导叶设计、避免发生卡门涡共振问题具有一定指导意义。     

工况变化对贯流式水轮机叶顶间隙流态的影响

贯流式水轮机是低水头水能资源开发的主力机型之一,而转轮叶片叶顶间隙流动特性是影响其空化、稳定性能的关键因素。基于数值模拟的方法,本文研究了工况变化引发转轮叶片叶顶间隙泄漏涡初生位置、形态变化的机理,分析了间隙泄漏涡形态改变对水轮机空化、稳定性的影响规律,主要结果表明：工况变化必然伴随导叶开度变化,导叶开度的改变使得转轮叶片外缘头部冲角改变,进而对间隙泄漏涡的初生位置及三维形态产生影响;间隙泄漏涡初生位置及形态的变化是转轮叶片外缘空化特性改变的根源之一;间隙泄漏涡会提高其扫略区域内测点的压力脉动幅值,泄漏涡的影响可导致测点的压力脉动幅值提高一倍以上。     

混流式水轮机功率异常波动成因分析

石门坎水电站混流式水轮机组在部分负荷下运行时,机组有功功率波动过大导致该电站无法并网发电。采用SST湍流模型对该电站水轮机在偏工况下的三维不稳定流动进行了仿真计算,重点分析了尾水内部压力脉动特性,研究发现:尾水管空腔涡带振动频率与发电机自振频率发生共振是引起机组有功功率摆动过大的主要原因。     

四角燃烧器射流向火侧相干结构涡的研究

利用IFA300恒温式热线风速仪和六线涡量探针及其定位坐标系统，测量了HG－2008／18．2－YM2型切向炉等温模型燃烧器区的涡量场，判别了涡量探针所测炉内空间点涡矢量的大小和方向，采用条件采样技术，研究了4股燃烧器射流向火侧形成的相干结构涡。研究发现：对于单股射流，引射（卷吸）主要发生在射流两侧，从而在两侧造成负压并出现旋转方向相反的旋涡；对于两股相交射流，射流偏转，出现了射流向火侧的剪切涡，对于两股相交射流，射流偏转，出现了射流向火侧的剪切涡，以及由于横向射流干涉，在射流背部的尾迹涡，当四角燃烧器同时投运，燃烧器射流偏转且贴壁运行，射流向火侧有大的剪切涡出现，该涡即为相干结构涡；涡量场研究结果，也表明了最大的涡矢量在燃烧器射流的向火侧，相干结构涡的研究目的一为探讨涡中NOx的初生形态，二为研究涡对上炉膛内烟温偏差的影响提供理论依据。     

大型电站锅炉多组小屏绕流的数学模型

引入“旋涡层”概念，炉深方向沿前屏分布着旋涡层，薄板翼导流，炉内右半部分的旋涡层削弱网格涡的速度环量。旋转上升气流绕流前屏，在其表面和尾部分别形成附着涡和分离涡；采用镜像法处理炉膛固壁对涡运动的影响。考虑炉内大残旋网格涡的切向速度；附着涡、分离涡及镜像涡的诱导速度，首次建立了多组小屏绕流的数学模型，并对HG-2008/18．2-YM2型锅炉等温模型进行理论计算。计算表明：后屏入口的速度右侧高左侧低，右侧镜像附着涡和分离涡诱导的速度，使后屏入口右侧速度升高。六线涡量探针所测涡量场表明：炉内螺旋上升气流绕流薄板翼，在前屏尾部，确实产生了分离涡；且后屏入口速度场，也表现为右侧高左侧低，试验结果和理论计算定性吻合，验证了所建数学模型的合理性，为分析小屏尾部分离涡对水平烟道左右侧速度偏差的影响，提供了理论依据。     

大型泵站进水流场十字消涡板整流特性研究

为研究十字消涡板对喇叭管下方水体及进入喇叭管内部水体的整流效果，以一大型泵站为研究对象，采用CFD计算方法进行了泵站流场数值模拟。研究发现，不设置消涡装置时，进水池存在大尺度回流和旋涡，并且在喇叭管正下方存在高速度及高涡量区，从而导致水泵进口流态恶化。在设置了高宽比分别为6:8，6:15和6:24的三种十字消涡板后，进水池流场、吸水喇叭口入口断面及水泵进口断面的流速均匀性均有显著变化。相对于高宽比为6:8和6:24的方案，高宽比为6:15的方案能明显减小进水流场底面上高速区，流场变得更加均匀，使得吸水喇叭管中轴线纵剖面上的涡量分布特征值由不设置消涡装置时的0.508减小到0.101，喇叭管入口断面的涡量分布特征值由0.495减小至0.098，喇叭口入口断面的流速均匀度最大提高4.1%，水泵进口断面的均匀度最大提高3.2%。研究结果对大型泵站进水池流态控制有一定指导意义。     

气膜冷却流场的大涡模拟

采用LES(大涡模拟)对单个圆形喷孔横向紊动射流流动进行了数值研究，模拟了吹风比M=2.0工况下的不同截面上的涡量随时间发展变化的过程,并对各种涡的流动机理进行了分析。结果表明：对称面的正反涡和垂直截面的马蹄形涡的两翼交替周期性地脱落成新的涡；由于尾迹涡的进入，在近下游X/D<4.0区域内，反向涡旋对的旋涡强度沿流向没有明显衰减，而在 X/D>4.0的区域，其旋涡强度沿流向单调衰减；反向涡旋对的正反向涡旋形状不对称，且正向涡旋里夹有反向旋转的涡，反向涡旋里夹有正向旋转的涡。     

水轮机固定导叶涡街的动力学分析与燕尾修型研究

卡门涡的脱落与叶片尾部形状密切相关,为了研究固定导叶燕尾后缘对卡门涡脱落的影响,运用涡动力学理论对固定导叶涡量场进行分析,寻找涡街输运的一般规律;并对混流式水轮机的双列叶栅进行数值模拟,对原型和燕尾型固定导叶尾迹涡量场和压力脉动进行比较。数值计算结果表明：与原型相比,燕尾型固定导叶尾迹的涡量值和压力脉动相对减小。燕尾开叉角起到了延长涡街输运距离的作用,同时限制了新生漩涡的生长空间,降低了涡街能量;燕尾后缘对于卡门涡的脱落具有抑制作用,减弱了卡门涡的破坏能力。     

水泵水轮机叶道涡的串级及耗散特性分析

采用大涡模拟方法,对某水泵水轮机模型额定工况进行了全流道三维非定常湍流涡结构的串级特性分析,得到了涡结构在叶道中的串级分布特性,捕捉到了叶道涡的时空演化,探寻了不同尺度涡的存活率及串级形成的能量耗散通道。结果表明：即便在额定水轮机工况运行时,由于存在微小进口冲角,在叶片背面靠近上冠的区域形成的小量脱流,也将会演化形成叶道涡。叶道中“大尺度”涡的存活率相对较低,而“小尺度”涡的存活率则很高,相邻尺度涡量增大倍数在1.2 ~ 1.6之间。在叶道的一定区域内,叶道涡在串级过程中会逐步汇聚,相互干扰,涡湍黏性随之快速增加,导致湍动能沿叶道剧增,形成能量耗散的通道。     

涡旋射流控制扩压器分离流动的大涡模拟

为研究涡旋射流对湍流边界层分离控制的机理,基于大涡模拟方法建立了具有涡旋射流、扩张角为14°的圆锥扩压器数值分析模型,计算结果与相应试验数据吻合良好,验证了计算模型的合理性与精确性。通过对特征截面上流场参数的详细分析,获得了射流导致的复杂涡系形成过程,发现了射流孔附近的强涡来源于剪切层涡,剪切层涡经过破碎和耗散,在射流下游近区发展为强弱不对称的反向涡对,在下游远区形成一个纵向涡旋,该涡旋将主流流场边界层外的高能流体卷入到边界层内,增加了边界层内部的流动能量,从而延缓或抑制了流动分离。与相同条件下未采用涡旋射流控制的扩压器相比,其压力恢复系数增加19.8%,表明涡旋射流是一种有效的边界层分离控制方法。文中还分析了不同射流孔数和射流倾斜角对于压力恢复系数的影响,发现选择合适的涡旋射流孔数及其射流倾斜角等参数,可以更有效的控制扩压器内流动分离。     

通气对空蚀的影响及商速摄影观察

为了研究通气对高速水流中发生的旋涡空化所引起空蚀的影响,把不同量的气体通入了射流放水阀阀针后部的旋涡空化区,观察了空化状态,测量了空化所引起的空蚀,观测表明,气流在水流中形了泡分布在空化区内,部分气泡被旋涡空化团所包含,因此在气气条件下,空化涡中包含有空化泡和空气泡,空蚀空验表明,试片表面的质量损失均随均气量的增加而减小,分析表明,通过气空蚀的影响确不能完全解释为声速的减小。     

非定常尾迹对旋转叶栅影响的数值研究

采用SST k-ω紊流模型对非定常条件下尾迹对动叶栅的影响进行了数值模拟,给出不同截面涡量随时间发展变化的过程,对各种涡系的流动机理进行了分析。结果表明:动叶前缘区域内,涡旋脱落呈现明显的周期性;动叶尾缘区域内,涡的脱落随时间变化虽然仍有周期性变化的趋势,但已经不再具有严格的周期性。