基于正交设计的掺气坎体型设计数值模拟研究

考虑挑坎坡度、挑坎高度等9项可能影响掺气坎空腔特性的参数,按照正交设计进行数值模拟试验.在试验基础上,采用极差和方差分析手段,以掺气空腔的外空腔长度、内空腔长度、通气孔进气情况和槽口出流速度为评价指标,对影响掺气坎空腔特性的9个参数进行分析.结果表明:影响掺气坎外空腔长度的诸多因素中,缓坡平台长度是主要因素,其他因素的影响相对较小;U型槽高度对掺气空腔内空腔长度起控制性作用,其他因素影响很小;对于通气孔进气情况和槽口出流速度,9个因素的影响都相对较小.与试验建议方案比较结果表明,通过正交设计分析所选出的最优方案,其水力特性指标均优于其他方案.说明正交设计分析方法是合理的,可行的.所得成果为工程实际中掺气坎体型的设计提供了依据,对于设计行之有效的掺气设施有实际意义.     

溢洪道掺气设施和挑坎体型模型试验

对拟建的LZP水库溢洪道进行水工模型试验研究,结果表明:原方案中掺气槽的设计位置不佳,致使水流无法进行充分调整、掺气保护长度不能被充分利用;原设计挑坎体型欠妥,由于溢洪道出口位置河道狭窄且溢洪道轴线与河道夹角过大,出射水舌对河道右岸有严重冲刷现象。针对以上工程问题,提出上移掺气槽与底板镂空异形挑坎两个方案,并分别进行优化试验,研究结果证明:底板镂空异形挑坎方案对出射水舌的纵向拉伸效果较好,避开了右岸边坡且水流流态也更趋稳定;调整后的掺气槽布置位置合适,空腔形成良好,能够充分发挥功效。     

大岗山水电站掺气坎数值模拟分析

对大岗山水电站1#掺气坎采用常规挑坎体型和新掺气坎体型进行数值模拟计算,分析水位工况下的水流流态、水流的压力分布、水流速度分布、空腔特性等。结果表明新掺气坎体型具有较好的掺气效果,对类似项目有一定的借鉴作用。     

巴拉水电站溢洪洞掺气坎体型优化试验研究

针对巴拉水电站溢洪洞陡坡段掺气状况不佳的情况,本文主要对前两级掺气坎体型进行优化调整,通过在常规掺气坎下游增设局部陡坡,将绝大部分回水控制在局部陡坡下游侧,从而保证掺气坎后空腔的稳定通气和陡坡段的掺气需求,为工程的安全运行提供了保障.     

高水头泄水建筑物掺气坎体型研究

对具有高水头、大单宽流量的泄洪建筑物,工程中通常采用强迫掺气减蚀措施防止壁面发生空蚀破坏。本文主要通过物理模型试验研究方法,对高水头龙抬头明流泄洪洞反弧段下游底板和侧墙掺气减蚀进行了研究,提出了一种底部突跌凸型坎和侧墙加贴角联合掺气的新型掺气坎,解决了洞顶余幅、底空腔内回水和突缩引起掺气坎后形成水翅之间的问题。采用这种新型的掺气坎体型后,底空腔内没有回水,同时消除了反弧段后侧墙出现的清水区;侧空腔畅通并直接和底空腔相连,对侧墙和底板都起到了很好的保护。该体型对类似工程的设计及修复具有一定参考价值。     

明渠自掺气水流发展区掺气浓度分布试验

本文对不同坡度、水深和流速的明渠掺气水流的掺气浓度进行了测量.通过对试验数据分析,发现掺气发展区断面掺气浓度分布曲线与均匀掺气区的差异在于前者下支浓度梯度很小.本文拟合了该无因次水深与佛汝德数的经验计算式,与试验数据吻合良好.     

跌坎型掺气槽过流的掺气特性

本文在分析实测资料的基础上，探讨了无挑角跌坎型掺气槽空腔区水舌的掺气特性，并重点研究了射流水舌的掺气超始流速，掺气层厚度，断面浓度分布以及通气量等参数的理论预测。     

设掺气挑坎渥奇面流场数值模拟计算研究

采用了引入VOF法的κ～ε紊流模型方程对设掺气挑坎的渥奇面流场进行了数值模拟研究,共模拟了两种挑坎布设位置的方案.本模型采用有限体积法对控制方程进行离散,计算了挑流流场和掺气空腔,并通过与模型试验数据对比验证,证实该模型可较精确地模拟实际流场.分析表明:相同体型和水力条件下挑坎布于渥奇段下游优于上游,且流态稳定,下游掺气较佳,可较成功地解决渥奇段下接高速水流区的掺气减蚀问题,该数值模型结果对掺气挑坎设计选型及位置优化有指导意义.     

前置掺气坎坡度对阶梯溢洪道掺气水流影响的数值模拟

为研究复杂边界条件下气液两相界面的流动及混掺现象对工程建设的影响,结合某大型水电站的溢洪道,利用RNG k-ε模型对其进行三维流场模拟,采用有限体积法离散控制方程,并用GMRES算法进行压力求解,对前置掺气坎式阶梯溢洪道和传统阶梯溢洪道泄流壁面上的高速掺气水流进行数值模拟。结果表明:随着掺气坎坡度的增加,其掺气空腔及掺气浓度均有所增大,随着水流下泄掺气浓度沿程降低,达到一定距离后趋于稳定,掺气浓度值达到了减免空蚀破坏的要求;与传统阶梯溢洪道的模拟结果进行对比可知,增设前置掺气坎后,既可以增加前几级阶梯的掺气浓度使水流提前达到水气平衡,也没有降低阶梯式溢洪道的消能率,为解决传统阶梯溢洪道中出现的工程难题提供了一种新思路。     

侧墙掺气坎水力特性的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了侧墙掺气坎的水力特性。与试验结果对比分析表明,用紊流数学模型来模拟泄水道反弧末端侧墙掺气坎的水力特性是可行的。数值模拟表明,不论是跌坎上游侧墙贴角,还是跌坎下游侧墙突扩,当侧墙掺气坎尺寸较大时,均会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度,当侧空腔长度大于底空腔长度时,较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道,会出现不利流态,反之,当侧空腔长度较小时,能形成较好的流态。过坎水流落水点下游的流态对跌坎上游侧墙贴角尺寸较为敏感,相对而言,对跌坎下游侧墙突扩尺寸就不那么敏感。数值模拟也证实,采用尺寸较小的侧墙掺气坎,形成较小的侧空腔,能满足进行侧掺气的同时具有较好的流场水力特性。     

掺气坎体型设计对溢洪道水力特性影响研究

为研究蓄能电站溢洪道消能防蚀构件的最优化布设方式,设定了不同泄流量下溢洪道水工模型试验,基于水力参数试验结果分析了四种掺气坎布设方案下技术利弊性。试验结果表明,A、D方案掺气浓度值水平分别为最低、最高,而两者时均压强分布分别为最高、最低。研究得到A方案掺气浓度受影响更显著,空蚀效应显著,D方案下抗动水冲击效果更显著。分析得到A、B、C三方案沿程时均压强在高、低泄流量工况下分布变化具有差异,而D方案保持一致。综合认为D方案开槽降挑角对水工建筑防蚀消能更有设计优势。研究成果可为水工结构消能防冲设计及物理模型试验分析提供参考。     

明渠自掺气水流掺气浓度分布Wood模型的改进研究

本文对明渠自掺气水流均匀流区掺气浓度分布的Wood计算模型建立中的两条基本假设进行了改进,在考虑掺气水流水气二相间相互作用的条件下,建立了气泡上浮速度和紊动扩散系数的计算式,并运用紊动扩散方程,导出了掺气均匀流掺气浓度分布的计算公式。计算值与实测值吻合良好。     

水利枢纽溢洪道掺气坎槽体型研究

结合糯扎渡水利枢纽溢洪道掺气减蚀模型试验研究，根据试验资料，利用回归分析，拟合出关系曲线，建立了坎高与水深、流速、溢洪道底坡、挑坎挑角关系的经验公式，并通过已建成的工程实例来验证公式的实用性．该公式对掺气坎槽选型提供了依据，可供设计与模型试验阶段参考。     

缓坡条件下掺气减蚀设施的体型研究

结合小湾泄洪洞掺气减蚀设施优化研究，提出了“当量坎高”的概念与凹型掺气坎的布置构想，在相同“当量坎高”的前提下，通过1：60水工模型试验，对平面凹型、平面凸型、平面梯形、U型坎，以及直线型挑坎等掺气坎体型进行了对比试验研究，从掺气浓度、空腔特性及通气量等指标看，凹型掺气坎是一种较优的布置形式．从物理机制上看，平面凹型掺气坎因空腔内水气交界面积大，对提高空腔内的总通气量、改善掺气条件有利；另外，相对于其他异型掺气坎而言，凹形掺气坎在两侧边墙处空腔更为完整一些，这对提高边壁角隅区域水流的掺气能力，增进边墙的抗空蚀效果也有一定的助益．     

明渠中掺气水流紊流流动规律

本文利用变密度变粘度流体在明渠中紊流流动时的运动微分方程式，研究了明渠中掺气水流紊流流动规律，得出，明渠中的掺气紊流不能在相同条件下增大明渠水流量，即不能实现有效的减阻。文中提出了密度紊动应力、粘度紊动应力、流量增加率等概念。     

明渠渗掺气增流减阻规律的理论研究

本文研究了明渠中气液分层层流，分层紊流情况下的水流量增加或阻力减小规律，研究表明，明渠中的气液分层层流，分层紊流，即在近壁层内充以空气可以在相同条件下明显地增大明渠的水流量，实现有效的减阻。     

不同跌坎体型对掺气减蚀的影响试验研究

空蚀不仅破坏泄水建筑物出口的过流表面,严重时还会导致主体工程失事。因此,需要采取一定的工程措施改变高速水流区的压力分布,以提高空穴数,进而达到减轻或消除空蚀破坏的目的,而在边坡位置设置跌坎进行人工强迫掺气正是一种可行的选择。本文针对德党河水库泄洪洞出闸水流可能发生的空化空蚀现象,通过模型试验研究,分别测试了0 m×0 m、0.14 m×0.14 m、0.28 m×0.28 m、0.42 m×0.42 m、0.56 m×0.56 m等不同跌坎断面尺寸对下游泄槽临底压力与流速分布及空穴数变化的影响。成果表明:随着跌坎断面尺寸的逐渐增大,测点空穴数变化明显,当跌坎尺寸超过0.42 m×0.42 m继续增大时,测点空穴数趋于稳定,亦即0.42 m×0.42 m和0.56 m×0.56 m的跌坎体型尺寸能够有效减轻泄槽底板可能出现的空蚀破坏。     

洞式溢洪道掺气减蚀设施的体型优化研究

有关高速水流泄水建筑物掺气设施体型优化方面的研究还没有成熟的理论方法,此研究拟通过模型试验的方法取得掺气减蚀设施的体型优化成果。结合大渡河猴子岩水电站洞式溢洪道的大比尺水工模型试验,根据规范,采取3道掺气设施,并对掺气设施挑坎坡度、高度和跌槽深度对比选优,对高水头溢洪道掺气减蚀设施进行优化研究。试验表明,通过改善掺气设施型式,可以有效减免反弧段空化和气蚀。成果可供设计高水头、大流量洞式溢洪道掺气设施体型参考。