Recommended Conditions for the Operation of Vortex Spillways

Power Technology and Engineering - The dissipation of the energy of high-speed flows in vortex spillway structures is considered. The operation of existing hydraulic projects with vortex spillways...     

新型竖井泄洪洞自调流机理和特性研究

该文提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,在泄洪流态和消能防蚀方面与常规喇叭形竖井泄洪洞有较大不同。为明晰该新体型的调流机理和系统水力特性,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动进行了数值模拟研究,获得了该新体型进水口流态、旋流空腔发展过程、竖井内部流态、平洞自由水面、压力等主要水力要素的分布规律。结果表明:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量趋势上一致,量值上吻合较好。模拟结果也较好揭示了自调节潜水起旋墩的旋流、自调流机理以及泄洪洞的消能原理。     

新型旋流环形堰竖井泄洪洞数值模拟和特性分析

生态环境友好型的洞内旋流消能工是当前泄洪消能领域一个重要的研究热点和方向。为克服以螺旋型经典涡室或传统喇叭形堰构成的旋流竖井泄洪洞易出现的漩涡、气爆、振动、防空蚀设施复杂等难题,改变一般的防漩、消涡观念,提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,虽脱胎于常规喇叭形竖井泄洪洞,但在泄洪流态和消能防蚀方面又另辟蹊径。作为一种新型的旋流布置体型,已有研究缺乏系统性,其复杂的水流特性并不是十分明了。依托广东清远抽水蓄能电站泄洪洞工程,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动进行了三维数值模拟,并对部分水力参数的特性进行了解析计算,获得了该新体型旋流空腔流态、自由水面、合成流速、压力等水力要素的分布规律。结果显示:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量值吻合较好,模拟值与初步建立的新体型水力特性理论解析值较为接近,表明解析计算方法具有一定的实用价值。模拟计算结果为进一步明晰新型环形堰竖井泄洪洞各部分水流特性和揭示自调节潜水起旋墩的旋流运动机理提供依据。     

水平旋流内消能泄洪洞结构应力分析研究

根据水平旋流内消能泄洪洞水力特性,旋转水流在水平旋流洞内形成的非均匀内水压力沿程变幅大,各部位结构受力差异大,不便于结构设计.该文利用有限元软件对水平旋流洞典型断面进行有限元分析,计算其应力分布,结合加筋和运行期放空的情况进行对比,分析其应力的分布特点和影响因素.结果表明,水平旋流洞末端的阻塞在减缓水平洞流速的同时,会引起局部应力增大,应考虑加环向钢筋等措施;当环向钢筋不能有效降低结构应力值时,可考虑设置钢衬或采用高标号混凝土,既可以提高隧洞的结构抗力,又可以起到防止和减轻空蚀的作用.     

台阶式溢洪道相对流速和相对消能水头的关系

流速和消能水头是重要的水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。将台阶式溢洪道流速、消能水头与对应光滑溢洪道流速、消能水头对比,引入相对流速、相对消能水头的概念。通过对0.5,1.0,2.0 m 3种不同台阶高度,38.66°坡度的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了流速、消能水头,相对流速、相对消能水头之间的关系。结果表明:非均匀流流态下流速、消能水头呈曲线关系,不便分析应用;相对流速和相对消能水头表现出良好线性关系,相关系数0.973 7~0.995 9,证实了引入相对流速、相对消能水头的必要性。     

导流洞改为旋涡式竖井溢洪道综合研究

结合我国一些水电站工程，对导流洞改建为旋涡式竖井溢洪道进行了综合研究。首次采用了压力短进水口出流为急流的引水道分别同涡井和涡室两种旋涡结构的连接型式，通过水工模型试验优选涡井（室）体型，并系统地研究其设计方法和水力学特性，为今后旋涡式竖井溢洪道设计提供了依据。     

INFLUENCING FACTORS FOR THE ENERGY DISSIPATION RATIO OF STEPPED SPILLWAYS

In order to search for the measure to increase the energy dissipation ratio of stepped spillways, some main influencing factors for the energy dissipation ratio of stepped spillways, such as unit discharge, dam slope, height of step and so on, were studied. The results show that the energy dissipation ratio decreases with the increase in the unit discharge and increases as the slope becomes gentle. The effects of step height on the energy dissipation ratio are closely related to unit discharge. If the unit discharge is smaller, the change of energy dissipation ratio with step height becomes greater. While, if the unit discharge is greater, the influence of step height on energy dissipation ratio is very little. According to the distributions of the turbulence kinetic energy and turbulence dissipation rate obtained by numerical simulation, the basic reason of the decrease of energy dissipation ratio with the increase in the unit discharge was discussed and some specific measures to increase the energy dissipation ratio were suggested.     

缓坡度陡槽溢洪道阶梯消能研究与应用

作为一种新型的辅助消能工，阶梯式消能工得到较多的研究和应用，但以往的研究与应用主要集中于坡度较陡的溢洪道。本文在总结广东省多项水利工程阶梯式溢洪道试验研究的基础上，进行了4种坡度比阶梯溢洪道的模型试验研究，对缓坡度陡槽溢洪道应用阶梯式溢洪道的水力特性进行了研究探讨。给出了阶梯跌坎高度、阶梯跌坎间距等阶梯体形参数对消能效果及流动形态的影响规律，并对缓坡度陡槽溢洪道应用阶梯式溢洪道设计方法进行了探讨，可供类似工程参考。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。     

Effect of the design of a tangential vortex generator on the characteristics of the involuted flow and carrying capacity of a spillway

Conclusions An involuting device in the form of a tangential vortex flow generator is the basic element of a vortex spillway, which defines the carrying capacity, the degree of flooding of the shaft, and the current regime of the involuted flow in the diversion tunnel of the spillway. The procedure employed for hydraulic calculation of vortex spillways with the vortex flow generators under consideration makes it possible to determine rather completely all basic characteristics of the involuted flow and on this basis, assume a serviceable design for the spillway on the whole. It is obvious that the problem concerning the influence exerted by aeration in shaft spillways on the characteristics of the involuted flow (kinematic, hydrodynamic) and the hydraulic losses of the elements of the spillway will be the subject of future research. Moreover, there are no data sufficient for predicting the development of cavitation in vortex generators with different geometric parameters. At the same time, experimental cavitation-erosion investigations for conditions encountered at the Rogun vortex spillway, which were performed at the MGUP, indicated that the cavitation flare, which is disturbed from the edge of the vortex generator, is steadily closed within the flow and does not present a risk from the standpoint of cavitation erosion. Translated from Gidrotekhnicheskoe Stroitel'stvo, No. 2, pp. 24–27, February, 1999.     

我国高坝泄洪消能研究的最新进展

近些年来,我国一直处于水电开发与建设的高峰期,大量的实际需求促进了高坝泄洪消能技术的发展与进步。本文分4个方面总结了近年来我国在高坝泄洪消能研究方面的最新进展情况：（1）高拱坝坝身泄洪消能;（2）高水头大流量底流消能;（3）高水头大流量溢洪道与泄洪洞的水力学问题;（4）泄洪雾化问题。在总结已有研究成果的基础上,对高坝泄洪消能技术的进一步发展,以及与之相应的环境问题及安全运行管理等提出了若干建议。     

泄洪洞旋流阻塞消能的数值模拟

运用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型、Realizableκ-ε模型、标准κ-ω模型,并结合VOF法对公伯峡水电站右岸泄洪洞的水流进行数值模拟,利用原型观测资料对计算结果进行对比验证,结果表明RNGκ-ε模型的模拟结果与原型观测资料最为接近。在此基础上,把原泄洪洞的旋流洞及其后段简化为直洞并在直洞不同位置布置阻塞,然后应用RNGκ-ε模型对其内部水流进行数值模拟,通过比较消能率、沿程压力及流场空化数分布,得出阻塞最佳布置位置,并给出最佳位置下水流的湍流特性。     

台阶式溢洪道相对消能率与相对佛汝德数关系研究

台阶式溢洪道是目前研究的热点,台阶消能率和佛汝德数是重要的水力参数。将台阶式溢洪道佛汝德数与对应光滑溢洪道佛汝德数对比,引入相对佛汝德数的概念,准确地反映由于台阶的存在对水流佛汝德数的改变值。通过对0.5,1.0,2.0 m 这3个不同台阶高度,坡度为38.66°的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了相对佛汝德数和相对消能率之间的关系。结果表明非均匀流流态下相对佛汝德数和相对消能率表现出良好线性关系,相关系数为0.992 7~0.998 9。单宽流量不同,相对佛汝德数和相对消能率对应直线的斜率明显不同,其斜率随单宽流量加大而增大;而台阶高度变化对相对佛汝德数和相对消能率线性关系的直线斜率影响很小。     

陡坡导流隧洞结构设计实践

陡坡导流隧洞内水流条件较缓坡隧洞复杂,进口漩涡、洞身段明满流交替、出口消能防冲等问题较为突出,以马来西亚沐若水电站导流隧洞为例,配合水工模型试验,对隧洞断面形式、进出口体型、底坡衔接及出口消能防冲形式进行了研究,从结构设计上有效解决了上述水力学问题可能对导流隧洞运行造成的影响.     

隔河岩枢纽泄洪消能试验研究

本文着重介绍隔河岩枢纽泄洪消能试验研究成果。通过试验,将表孔、深孔、底孔采取平面错开,空间分层,出口采用收缩射流转向的新技术,既满足了泄洪要求,又有较好的消能防冲效果。上述研究成果为设计,施工提供了大量的数据,解决了工程中许多重大的技术难题。     

排水系统入海口新型消能工

通过实体模型试验研究了某排水系统入海口水工建筑物的水力性能,设计提出一种新型的墩栅涡流室消能工。该新型消能工的水力特点是:流出排水隧洞的高速水流大部分通过进口墩栅空隙流入涡流室,小部分在进口墩栅前发生水跃后扎入涡流室中产生强烈的顺时针漩涡,通过水跃、墩栅的阻力和涡流室漩涡的共同作用消能,并将来流的动能转换为势能,之后,涡流室中的大部分水流在重力作用下通过出口墩栅空隙流向下游,其余水流从墩栅顶部溢流。这种新型的墩栅涡流室不仅消能效果良好而且出流均匀,并容许各种杂物如石块、泥沙等自由通过,避免涡流室中发生严重的淤积。     

THE APPLICATIONS AND STUDY OF NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENCE FLOW WITH FREE SURFACE IN HYDRAULIC SPILL WAYS STRUCTURE

The turbulence flow Free Surface has important applications in hydraulic spillways structure,such as the hydraulic jump,energy dissipation flow etc.This is being considered as very complicated flow,and has not yet been solved quite well by numerical method. In this paper,a Large-scale computational software package are developed for numerical laboratory of hydraulic spillway structure.Some methods,such as turbulence model, free surface and irregular boundary treating techniques,scientific computer visualization are put forward and performed.     

Inception point of air entrainment over stepped spillways

The location of the inception point of the air entrainment directly affects the energy dissipation ratio, the cavitation damage control, and the training wall height designs for a stepped spillway and a stilling basin. In this paper, the boundary layer theory of plates is used to predict the location of the inception point of the air entrainment over the stepped spillways by assuming the steps on the spillways as a kind of roughness. An empirical formula is presented based on the physical model experiments, with the maximum error less than 1% except at one point where the error is 1.6%, as compared to the experimental data. Meanwhile, it is shown that the location of the inception point of the air entrainment for the stepped spillway is much nearer to the top of the spillway than that for a smooth spillways, which explains why the high ratio of the energy dissipation is provided for the stepped spillway.     

岸边表孔溢洪道(洞)台阶消能技术在新疆几个水电(利)工程中的应用

详细介绍了台阶式消能这一新型消能工的消能原理,新疆两个水利工程和两个水电站工程岸边表孔溢洪道(洞)采用台阶消能技术的设计和水工模型试验成果,可供相似工程参考.