小浪底工程孔板消能泄洪洞的设计优化

小浪底工程采用了由导流洞改建而成的新型多级孔板消能泄洪洞。新洞型的采用,解决了重复利用导流洞所带来的高水头、高流速的复杂技术问题,在多次水力学模型试验研究的基础上,孔板消能泄洪洞设计逐步优化和完善,主要研究的方案依次为：（1）小圆塔进口,洞内设5级孔板;（2）龙抬头进口,洞内设5级孔板,其中第5级为偏心孔板;（3）龙抬头进口,洞内设5级孔板;出口设溢流挡水堰;（4）龙抬头进口、洞内设4级孔板,孔板后设中闸室;（5）龙抬头进口,洞内设3级孔板,孔板后设中闸室,最终方案满足了消能和防空蚀的要求。     

小浪底孔板消能泄洪洞过流原型观测试验

小浪底水利枢纽的三条孔板消能泄洪洞,是目前世界上采用孔板消能技术的最大的泄洪洞.孔板泄洪洞的实际泄洪效果和安全性,一直是专家关注的焦点.1号孔板消能泄洪洞过流原型观测试验,就长期以来国内外专家十分关注的孔板洞消能效果、水流空化、脉动水流诱发衬砌结构及围岩的振动、中闸室出口水流的掺气及空腔负压、闸门开启过程的流激振动以及孔板环、衬砌结构应力等进行了现场测试.从压力系数和消能系数分布看,原型观测结果与模型试验结果吻合较好,验证了模型试验成果的相似性.     

小浪底工程1号孔板泄洪洞水流空化原型试验研究

在库水位为210.18～210.28 m之间时,对小浪底水利枢纽工程1号孔板泄洪洞泄洪情况下多级孔板水流空化特性进行了原型试验。对弧形工作闸门在连续开启过程中各级孔板水流噪声的频谱分析发现,闸门孔口相对开度e/a为0.9时,第二级和第三级孔板处水流噪声声压级突然增加10 dB以上,表明开始出现空化水流,相应三级孔板的水流空化数分别为5.85、5.65和5.03,该结果与考虑缩尺影响修正后的模型试验研究结果基本一致。     

孔板泄洪洞初生空化数的估计

本文通过解析方法得到了孔板泄洪洞中最小压力系数Ｃｐｍｉｎ的表达式；给出了计及压力脉动及水中含气量影响的初生空化数的半径验关系式；对孔径与管径比为０．６９时在不同管径及流速条件下的计算结果与已有文献的实验结果进行了比较，它们吻合良好。     

小浪底孔板泄洪洞的施工

小浪底水利枢纽布设的３条导流洞完成导流任务后,陆续改建成永久孔板泄洪洞。孔板洞改建成泄洪洞不仅节省投资,而且可以控制泄洪洞内水流流速,延长泄洪建筑物,但其改建工程是泄洪系统中施工难度最大的关键项目,而其成败的关键在于解决高水头、高流速、高含沙量对孔板洞流道的磨损。     

收缩式洞塞泄洪洞的消能和空化特性

摘要：本文结合某大型水电工程,采用试验和数值模拟相结合的方法,研究了收缩式洞塞泄洪洞的消能特性和空 化特性。常压模型试验表明,通过设置两级洞塞及其他附属设施,整个泄洪洞总消能率超过了67.3%,两级洞塞 的总消能率达到36.0 %,洞塞的消能效果十分显著。减压实验表明,通过对洞塞体型的精细优化,泄洪洞有压段 可以避免发生空化,洞塞本身具备一定的抗空化能力。通过数值模拟,揭示了泄洪洞有压段的流速场、压力场特 性,直观地表明洞塞的突缩突扩作用形成了大体积的水流紊动,从而达到消能的目的。     

收缩式洞塞泄洪洞的消能和空化特性

本文结合某大型水电工程,采用试验和数值模拟相结合的方法,研究了洞塞泄洪洞的消能特性和空化特性。常压试验表明,通过设置两级洞塞及其他附属设施,整个泄洪洞总消能率超过了67.3%,两级洞塞的消能率达到36.0 %,洞塞的消能效果十分显著;减压实验表明,通过对洞塞体型的精细优化,泄洪洞有压段可以避免发生空化,洞塞本身具备一定的抗空化能力;通过数值模拟,揭示了泄洪洞有压段的流速场、压力场特性,直观地表明洞塞的突缩突扩作用形成了大体积的水流紊动,从而达到消能的目的。本文提出的洞塞体型及布置形式可供类似工程参考。     

洞塞泄洪洞的水力特性研究

本文提出的洞塞式消能工与孔板非常相似，充分利用高速水流经过局部突缩突扩断面产生巨大水头损失实现消能，但体型简单，洞塞内水流相对平稳，消能率很高。本文较为详细地介绍了洞塞消能的特点、洞塞泄洪洞的布置型式和水力学计算。水力学模型试验成果与计算结果非常吻合。     

小浪底水利枢纽工程孔板泄洪洞设计

小浪底工程在世界上首次将导流洞设计改建成１４０ｍ高水头孔板泄洪。孔板泄洪洞由龙抬头段，孔板消能段，闸室前渐变段，中间闸室，闸室后洞身段，出口挑流段等部分组成，其中孔板消能段是泄洪洞的核心部位，设三级孔板消能。文中详细介绍了孔板泄洪洞的特点，孔板型式，消能原理，体形设计，结构设计以及为减少负压和防止水翅冲击弧形闸门支铰等难题而进行的创新设计。结合设计，给出了泄洪洞各组成部分的结构计算方法及结果。     

渐扩式泄洪洞出口水流模拟及空化 特性预测研究

为了获得泄洪洞出口段在高速水流情况下的水流特征,分析空化及其对结构可能存在的空蚀破坏影响,本文采用了VOF（Volume Of Fluid）方法,并结合Realizable k-ε紊流模型,对泄洪洞水流进行了三维数值计算。计算获得了压强、流速及水深的三维分布参数,并将部分计算结果与设计值验证,吻合较好。通过引入自定义函数方式计算了整个流场的空化数,获得了泄洪情况下泄洪洞高速水流空化数分布规律及易发生空化空蚀的区域。     

大梁水库放水洞多级孔板消能工孔板布置的设计与试验

针对大梁水库放水洞多级孔板消能问题，分析了多级孔板消能中孔径比，上游水位及出口面积对水流空化数的影响。在此基础上给出了多级孔板布置的设计方法并在大梁水库放水洞试验中进行了应用。实践表明，该方法能给出较为合理而实用的布置方案。     

深孔泄洪洞工作（闸）弧门下游水流空化特性分析

深孔泄洪洞工作弧门下游体型及弧门开启方式决定着水流流态的变化,选择不合理有可能引起底板的空蚀破坏。为了明确与此相关的空蚀发生机理及条件,通过水力学模型试验,并结合简单数值模拟计算,对不同体型、不同水头、不同开度条件下的水流空化与空蚀特性进行研究。研究结果表明:受弧门出口射流流场分布影响,弧门下游抛物线及下游陡坡初始段底板压强随着底板以上总水头的增加及弧门开度的减小会快速下降,最大负压接近或超过-14 k Pa,连接闸室与抛物线之间的水平段长度增加5 m,虽然可以使底板压强有一定幅度增加,但高水头、小开度工况下的水流最小空化数仍然比较小,最小值不足0.2;如果以0.2作为抛物线及其上下游段水流初生空化数,同时底板的施工不平整度有所控制,则总水头40 m时弧门最小开度可以达到1/4,若总水头增加至65 m时,弧门只能全开或3/4开度运行,低海拔地区或水平段加长5 m后最小开度可到1/2~3/4。     

小浪底工程2号孔板泄洪洞孔板段压力特性原型观测

为了充分论证小浪底水利枢纽工程2号孔板泄洪洞的可靠性,对其在上游库水位247.9m左右及100m级工作水头下的孔板段压力特性进行了原型观测分析。原型观测与模型试验和理论分析结果的对比研究,加深了对孔板泄洪洞消能机理及运行特性的认识,为孔板洞在更高库水位下运行提供了参考依据。     

多级孔板消能系数问题探讨

本文论述了高速水流,经过多级孔板孔口发生突然收缩与扩散,消杀巨大能量的消能机理。消能效果可用消能系数K来表示。通过试验找到了影响孔板消能的因素主要有:反映流动状态的雷诺数、孔板孔口与管道直径比(即孔径比)、孔板之间距离即扩散室长度、孔板锐缘形状、孔板级数以及不同孔径比不同形状孔板的组合及排列顺序等。文中着重分析了以上诸因素与无量纲消能系数之间的关系,并指出:管道中水流若处于充分紊流状态,便可忽略雷诺数对K的影响;孔径比为0.7左右为佳;孔板间距取决于水流恢复长度;孔板锐缘以刀口朝上半径小者消能率高;不同级数、不同形状和孔径比的孔板,排列组合顺序不同时对K值有影响。     

黄金坪水电站泄洪洞无压段出口水流的消能研究

泄洪洞出洞水流如果处理不好,易发生消能结果不能满足设计要求的情况。结合黄金坪水电站1号泄洪洞单体水工模型实验的研究,提出一种适合该工在泄洪需要的连接方式——抛物线连接,同时修改消力池的形状。实验表明,该修改方案能够很好地改善下泄水流的流态,并能使消力池内发生完整水跃,消能结果符合要求。图3幅。     

有压管道双孔板水流消能特性试验研究

本文通过二维激光测速试验,研究了有压管道双孔板段水流的紊动特性,给出了水流的有关紊动特征参数及孔板消能系数的计算公式。研究表明,第Ⅰ级孔板与第Ⅱ级孔板相比,孔板后水流流场及能耗特性均有显著差异。在本试验条件下,第Ⅰ级孔板的名义消能系数大于第Ⅱ级孔板,但其真实消能系数却小于后者。     

孔板泄洪洞脉动压力特性浅析

通过量测多级孔板泄洪洞点脉动压力的沿程分布，论证了脉动压力振幅概率分布的正态性和最大振幅取值范围。由于最大脉动压力可达孔口流速水头１．２倍，最大脉动压力强度系数高达３０％，因此在研究孔板洞空化问题时必须考虑脉动压力。     

大梁水库放水洞多级孔极消能工孔板布置的设计与试验

针对大梁水库放水洞多级孔板消能问题，分析了多级孔板消能中孔径比、上游水位及出口面积对水流空化数的影响。在此基础上给出了多级孔板布置的设计方法并在大梁水库放水洞试验中进行了应用。实践表明，该方法能给出较为合理而实用的布置方案。     

旋涡孔板消能工的初步研究—一种新型空蚀消能工

在大型导流洞改建为永久利用泄洪洞方面，泄洪，消能和空化之间的协调是最重要的问题之一。在以往的设计中，在满足国大的泄量和消能量条件下，通常泄洪洞还是满足σｆ〉σｉ，以免发生空化空蚀。本文提出的一种新型无空蚀旋涡孔板消能工，通过对水体的控制，允许空化仅在水体内部存在而不致对洞壁空蚀破坏，因此，可以加大消能量，提高泄流能力，使工程设计更为经济安全。     

小石峡水电站导流兼深孔泄洪洞消能工优化试验

通过新疆库马拉克河小石峡水电站导流兼深孔泄洪洞原设计方案的消能工试验,发现消力池内发生淹没水跃,水跃旋滚区与闸后射流相叠加,使陡坡段水流剧烈脉动。为了防止护坦段在较大的动水荷载下发生振动和破坏,采用在消力池内设置不同于传统布置方式的悬栅式消能工的方式,即从闸后陡坡末端起布置悬栅,悬栅的安装高度随水跃跃高逐渐抬高,呈台阶式布置。试验表明,台阶式布置悬栅起到了破碎水跃上部剧烈回旋运动的表面旋滚的作用,增大了回流的阻力,从而使水跃向下游移动,由淹没式水跃转化成稍有淹没水跃;在悬栅作用下,陡坡段和消力池内水流脉动明显减弱,浪花溅起高度明显小于加悬栅前的高度,这种悬栅布置方式可为其他同类工程提供参考。