某水电站溢流坝陡槽高速泄流掺气减蚀试验研究

为有效解决陡槽高速泄流情况下的空化空蚀问题,借鉴二滩水电站#1泄洪洞掺气坎的修复经验,通过国内某溢流坝陡槽段大比尺模型试验,研究了底掺气设施有无加设侧掺气坎的掺气空腔长度、掺气浓度、通气量等参数与流速的关系。结果表明,泄水陡槽加设适宜的侧掺气坎后,未影响底空腔的长度,有助于形成稳定完整的底空腔和侧空腔,且使水体掺气浓度及通气量显著增加,不仅避免了陡槽侧墙空蚀的发生,还可加强过流底板的保护作用。     

一种新型掺气设施的模型试验研究

高速明渠流建筑物中常通过设置掺气坎来避免可能发生的空化空蚀破坏,但当明渠的坡度较缓时,掺气空腔容易回水,从而影响掺气效果,对此提出在小底坡明渠有压进口处设置一个楔形体,将水流分成上、下两股进入明渠。通过模型试验研究这种新型掺气设施的空腔形态、掺气特性。试验结果表明,当有压出口处的水流速度达到2.7m/s时,在两股水流之间就能形成一个稳定的掺气空腔,此时对应的水流弗劳德数约为2.0,空腔内并无回水,掺气效果良好;随着出口流速的增加,掺气空腔不断加长,掺气量也不断增加。试验得到了不同流量下掺气空腔形态的变化规律及沿程断面掺气浓度分布规律,并拟合了计算楔形掺气设施空腔长度的经验公式。研究成果可为优化掺气设施设计和工程应用提供参考。     

掺气坎后水流掺气浓度分布及掺气保护长度试验研究

在掺气减蚀研究中,掺气设施的掺气保护长度是检验掺气减蚀效果的重要指标,而水流掺气浓度及其分布将决定掺气保护长度。通过反弧段泄槽模型试验,研究了不同流量、不同挑坎高度时掺气浓度与掺气保护长度的变化规律。结果表明,掺气坎后水流掺气浓度沿程分布规律为先增大后减小,而在断面上的分布规律为由水流表面到水流底部逐渐减小;泄槽反弧段与泄槽直段及不同水深处掺气浓度的沿程衰减率不同;在其他条件不变时,掺气浓度与流量大小成反比,与挑坎高度成正比;掺气有效保护长度随流量增大而减小,随掺气坎高的增大而增大。     

格栅式底流消能掺气特性研究

对于底流消能，格栅的布置能够缩短消力池长度，使其更容易适应地形条件的变化。为此，通过FLOW-3D中的掺气模型对圆孔Γ形格栅式消力池内水气两相流进行数值模拟。结果表明，纵向临底掺气浓度沿程递减(由31.3%减小到8.0%),在格栅位置出现明显下降，栅前(^#6断面)临底空穴数最小为5.6,格栅附近空穴数均在9.0左右，栅后空穴数远大于9.0;栅前沿轴线方向近底气泡尺寸沿程增大(由0.9 mm增大到8.1 mm),栅后近底板气泡尺寸则沿程减小(由1.6 mm减小到接近0 mm);流速较大区域较小直径的气泡在掺气减蚀中起主要作用，对混凝土固体边界的保护作用明显，包括格栅在内的消力池结构不易发生空蚀破坏。     

梯形消能墩—台阶组合式消能工水力特性研究

为降低台阶负压，减少空化空蚀的影响，提高台阶消能效果，在传统台阶凸角位置增设梯形消能墩组成梯形消能墩—台阶组合式消能工，采用水工模型试验与数值模拟相结合的方法，研究梯形消能墩—台阶组合式消能工的水力特性。结果表明，梯形消能墩—台阶组合式消能工台阶水平面与竖直面在靠近凸角附近存在负压，有发生空化空蚀破坏的可能；但台阶水平面与竖直面负压区掺气浓度基本大于5%,可有效降低空化空蚀危害；在本研究范围内，梯形消能墩—台阶组合式消能工消能率可达70%以上，消能率随流量的增大而降低。该组合式消能工有利于减小台阶空化空蚀危害和提高台阶消能效果，可为台阶消能工设计和现有台阶溢洪道除险加固提供参考依据。     

底流消能工水流结构与掺气浓度分布试验研究

底流消能工中水流紊动剧烈、大量掺气,面临着空化空蚀问题。为研究底流消能工气体迁移扩散运动与水流结构相互作用机理,采用水力学试验开展研究,对底流消能工进行水流结构划分,通过调整流量与尾坎高度,改变入射Fr数及跃后水深与跃前水深比,分别测出消力池内掺气浓度值,并分析数据研究水流结构区气体的运动机理,得到消能工内掺气浓度分布规律。结果表明,掺气浓度随Fr数的增大而增大,随跃后水深与跃前水深比的增大而减小;各水流结构区掺气浓度沿程衰减,纵向衰减速率附壁射流区射流扩散区稳定区;横断面掺气浓度呈"双钟形"分布规律;竖向掺气浓度附壁射流区变化曲线呈凹型递增、射流扩散区先增后减、稳定区递减规律。水流结构区交界处形成气体交换带,是气体发生交换的主要区域,掺气浓度在气体交换带处达最大值。该研究可供底流消能工的防空化空蚀参考。     

台阶式溢洪道水流空化特性及空化空蚀位置的确定

为探讨台阶式溢洪道水流空化特性,结合某水库实际工程,采用水工模型试验方法,研究了不同流量条件下台阶式溢洪道的流速、压强分布和空化特性。结果表明,在溢流堰段,水流流速沿程逐渐增大,压强沿程逐渐减小,水流空化数也逐渐减小;在台阶段,流速沿程先逐渐增大,在初始掺气点达到最大值后有所下降,随后逐渐增加并趋于某一常数,压强沿程呈波浪式发展,水流空化数也呈波浪式发展;在消力池内,水流流速先逐渐减小,达到最小值后又逐渐增大,压强先逐渐增大,增大到最大值后逐渐减小,然后减小到最小值,再逐渐增大,水流空化数沿程先逐渐增大,达到最大值后逐渐减小;台阶水平面上的空化数从台阶凹角向凸角逐渐增大,竖直面上的空化数从底部向顶部逐渐减小;同时水流空化数随着流量的增加而减小。     

环境气压对掺气设施空腔长度的影响分析

低气压环境下泄水建筑物空化空蚀风险增大,环境气压对掺气减蚀效果的影响程度是高海拔地区高坝水力设计时需重点关注的问题。采用CFD数值仿真方法,建立跌坎和挑坎两种不同体型的掺气设施模型,分析不同环境气压下的掺气设施的空腔长度,研究环境气压对高速水流掺气效果的影响。结果表明,环境气压越低,高速水流掺气空腔长度越小,掺气效果越弱,高海拔地区高速水流防蚀设计应合理考虑环境气压的影响程度。     

泄洪洞中闸室出口侧墙掺气体型优化

采用RNG κ-ε紊流模型对某中闸室出口侧墙掺气体型进行数值模拟,以水流流态、压力分布及水翅强度等水力特性为指标对侧墙体型进行优化,并利用物理模型试验对推荐体型进行验证。结果表明,渐扩体型存在掺气盲区;突扩体型水流流态差;突扩+渐扩体型能够同时满足侧掺气和改善水流流态,水翅强度随渐扩长度增加而减弱,并能形成稳定侧空腔且侧墙上无负压产生,能有效避免空化空蚀。     

龙开口水电站冲沙底孔泄槽段掺气设施试验研究

以龙开口水电站冲沙底孔泄槽段为例,针对常规掺气设施不能确保掺气效果问题,基于原设计方案提出了2个优化方案,并通过水工模型进行了试验和比较分析,确定了较合理的掺气设施。结果表明,有压出口底部采用突跌掺气并加设挑坎,泄槽段采用坎槽结合式的掺气形式,掺气减蚀效果较好。     

基于3D数值模拟的泄洪洞安全监测及预警指标体系

针对高水头大流量泄洪洞内易发生严重的空化空蚀破坏问题,采用三维RNGκ-ε双方程紊流模型对某工程右岸泄洪洞紊流流场进行数值模拟,分析了泄洪洞内水—气两相分布、洞顶余幅、压强分布、空化数分布等水力特性,判断泄洪洞内易发生空蚀破坏的潜在危险位置,根据数值模拟计算结果设计泄洪洞安全监测布置方案,并构建泄洪洞安全监测及预警指标体系,划分泄洪洞安全状态等级,有助于推进实际工程中泄洪洞的实时安全监测及预警工作。     

大流速、高弗劳德数弯道水流流态控制研究

为研究大流速、高弗劳德数条件下弯道水流的水力特性,以某水利工程为例,提出采用"前置掺气坎+渠底局部超高+阶梯"相结合的弯道水流控制新技术。试验结果表明,采用该技术后弯道段水流流态良好、横向水深和流速分布较均匀、弯道段沿程流速增加较小、弯道后水流衔接平顺,各项水力指标均满足工程应用要求。研究成果对类似工程提供参考和指导。     

白鹤滩水电站~#1泄洪洞反弧段水力特性的数值模拟

采用k-ε紊流模型对白鹤滩水电站# 1泄洪滴竖曲线段及其下游连接段水流流场进行数值模拟,获取了流速、水面线、压强,切应力等水流运动参数分布.结果表明,底板和边墙的压强沿反孤向下游逐渐增大,在反弧后部1/4范围内达到最大,反弧末端的压强梯度大于反孤起始端的压强梯度;切应力沿反弧向下游逐渐增大,且高切应力范围在下斜坡段延伸一段距离,而在同一断面内角隅附近的切应力较大;空化数沿程减小,陡坡段开始需采取掺气减蚀措施,防空蚀的关键部位为反孤段末端后边墙的中下部和底板.     

叶巴滩水电站导流洞水压力分布研究

导流隧洞作为泄水建筑物，洞身、洞顶和底板的压力分布对于避免空蚀空化、振动等不良现象至关重要。以叶巴滩水电站导流隧洞为例，基于物理模型试验、RNG k-ω紊流模型、VOF法建立的三维数值模型模拟了导流隧洞压力分布，通过泄流能力、底板沿程压力等试验数据验证了数值模型的可靠性。结果表明，导流隧洞底板和顶部沿程压力分布均呈下降趋势，但在闸室段、堵头段等水力边界突变处，压力值发生了波动；在转弯段，水流受离心力影响显著，主流区位置和水流压力存在偏离轴线，靠近外边墙的趋势。     

掺气分流墩墩头动水压强特性的试验研究

本文对掺气分流墩墩头的动水压强特性进行了试验研究,以求了解墩头的抗空蚀性能及动水压强特性.试验结果得出:时均压强P/P_(max)沿墩高和时均压强系数C_р沿横断面的分布规律;墩头轴线与来流有夹角时C_р沿横断面的分布规律;墩头壁压脉动压强特性以及探讨了拓林掺气分流墩(墩头的θ=75°)的安全使用范围.研究成果可供设计和进一步研究参考.     

一种新型燕尾坎消能工的流态和消能分析

为了提高孔洞类泄水建筑物的出口消能率,同时避免出口水流堵塞和空蚀破坏,提出了一种带跌坎和反坡的燕尾坎消能工。物理模型试验表明,燕尾坎中间槽的作用使出流分成两股,水流纵向拉伸,减小了落点水舌的平均流速,并使水舌掺气增加,消能率提高;设置跌坎和反坡,通过跌坎掺气和反坡对中间股水流的引导作用,避免消能工的空化和出口流动的水流阻塞,并在中间反坡的引导下,中间水舌按预设方向入水。与传统连续坎消能工相比,该消能工消能率提高15%左右。在分析消能率影响因素的基础上,给出了所提消能工消能率的经验表达式,为孔洞类泄水建筑物的出口消能设计及施工提供了参考依据。     

台阶式泄洪槽水工模型试验研究

为验证山西省某森林公园台阶式消能泄洪槽设计的合理性,通过模型试验研究了该消能泄洪槽不同流量工况下的流态、台阶平面压力、流速分布及消能效率。结果表明,在试验流量范围内,泄槽内为跌落水流和过渡水流,掺气不明显;台阶平面压力变化范围为-9.7~24.4kPa,当流量为6m^3/s时,出现最大负压9.702kPa;除#3消力池进口处外,三段台阶式消能段均为泄槽底部流速较小,对泄槽底部冲刷较小,泄槽水流表面流速最大;在不同流量下台阶式泄槽+消力池联合消能率均超过了90%,其中大部分能量消散在溢洪道台阶上。研究成果可为类似工程提供参考。     

低弗劳德数趾墩悬栅联合消能工数值模拟

针对低弗劳德数水流在消力池内极易形成弱水跃且水面大幅波动的问题,在低弗劳德数情况下,利用RNGκ-ε紊流模型,分别对趾墩悬栅联合消能工与单一悬栅消能工所处流场进行数值模拟,系统分析了水深沿程变化及流速分布规律,得到联合消能结构作用下消力池内部水流流态及过栅绕流涡旋分布。结果表明,联合消能工能增大回流区漩涡尺度,加剧水流卷吸掺混强度,大幅提高掺气浓度,迫使跃前断面向下游推移,相对推移比接近26%,淹没度下降约10%左右,从而显著降低陡坡水流脉动;悬栅附近涡群具有更强的漩涡运动,主、回流间紊动混掺加剧,增强了下泄水流能量耗散。研究结果为同类工程中解决消能防冲问题提供了新思路和参考依据。     

旋流竖井泄洪洞水力学特性及泥沙输移特性研究

基于RNGκ-ε双方程紊流模型并结合VOF两相流模型，通过模型试验和数值模拟分析了双涡室旋流竖井流态、流速、压力、消能、空化和泥沙输移特性。结果表明，模拟结果与试验值吻合程度较好，涡室段通过掺气坎补气，掺气更加充分，降低了发生空蚀破坏可能性；实测消能率达到75%以上，消能效果较好；不同粒径泥沙在不同流量下在竖井底部存在泥沙淤积，使得消力井深度减小，小流量运行时淤沙最高可达到消力井深度的72%,但经过一次大洪水后泥沙被清空，淤沙高度降低为井深的1.6%,使旋流竖井保持有足够的消能水垫，不会影响其正常运行。在实际工程中，控制拦污栅大小，避免大颗粒泥沙进入泄洪洞导致拥堵，实践中可通过改变运行方式来控制消力井淤沙高度，使其有足够富裕的水垫深度来满足旋流竖井设计和正常运行要求。     

超深层挡水放空洞复杂体型高速水流水力特性数值模拟

针对某水电站超深层挡水放空洞复杂体型,利用3D紊流数值模拟方法,采用VOF方法追踪自由水面,对泄流能力、沿程水面线、流速、压强等水力特性进行了数值模拟分析。结果表明,该放空洞结构泄流能力满足设计要求,设计体型基本合理,有压洞转弯段出现严重的偏流,需对该段体型进行优化;弧形闸室后部两侧突扩结构最小负压0.1MPa,结构易发生空化空蚀,建议减小突扩结构尺寸,延长侧墙长度,尽量减小侧墙坡度;消能工段出口底板部位最小负压为0.1MPa,建议取消挑坎末端水平段,使水流直接挑出。