低数、小底坡泄洪洞掺气设施研究

泄洪洞具有高流速、低Fr数和小底坡的特点,掺气空腔容易产生回水,布置掺气设施的难度较大。采用模型试验和理论分析相结合的方法对泄洪洞掺气设施进行研究。通过比较掺气挑坎高度、坡度、坎后底坡及衔接形式,分析这些特征参数对空腔回水、通气量及流态的影响,拟合了空腔无回水的临界Fr数与挑坎高度的关系式,总结了掺气设施体形优化方法,研究成果已被实际工程所采用。     

适宜大流量小底坡掺气设施的翼型挑坎研究

大流量小坡度泄洪洞布置的掺气减蚀设施,往往存在空腔偏短及空腔回水等问题。根据大流量小底坡泄洪洞掺气设施已有的研究和应用成果,提出了翼型挑坎的掺气设施布置,以求解决上述问题。针对涔天河水库扩建工程1^#泄洪洞,开展了水工模型试验研究,比较了不同翼型挑坎布置型式对掺气设施水力特性的影响,论证了翼型挑坎对于减轻掺气设施空腔回水的有效性。通过水工模型试验研究,确定了翼型挑坎掺气设施的基本布置型式,为进一步开展研究和推广应用奠定了基础。     

两河口水电站放空洞掺气减蚀实验研究

回水问题是小底坡、低弗氏数下经常出现的影响掺气减蚀效果的问题.本文通过掺气坎掺气实验研究对不同高度下掺气坎掺气效果进行比较.结果表明,经多次体型优化证明,提高掺气坎高度可以明显提高低弗氏数下空腔净空高度,但是鉴于工程量、造价、等多方面考虑,在过水隧洞使用频率不高的情况下,可以选择标准下限来取得各方面最优选择.     

平底泄洪洞掺气设施体型研究

掺气减蚀是减免泄水建筑物空化空蚀的常用方法,但对于一些小底坡泄洪洞,如果采用常规的掺气设施结构,掺气空腔往往会被淹没,使其失效反而成为空化源。小底坡泄洪洞的掺气设施体型设计一直是掺气减蚀研究的难题。文章针对平底泄洪洞的掺气减蚀,通过理论分析和1/30的大比尺模型试验,进行了四个方案的对比研究,提出了一种新型的挑坎下游加设贴坡的掺气设施,有效地抑制了空腔回水,获得了稳定的掺气空腔,并且通气量、气水比等掺气特性指标都有明显改善。     

泄槽底坡对掺气坎射流空腔积水的影响

通过作者建立的掺气坎射流曲线方程和掺气空腔积水方程,分析计算了泄槽底坡对跌坎型、挑坎型和挑跌坎型3种掺气坎掺气空腔积水的影响.计算结果表明,泄槽底坡对3种体型掺气坎掺气空腔积水的影响规律是一致的.随泄槽底坡增大,空腔积水减弱,最终消失;掺气坎后挑射水流与底板的冲击角随泄槽底坡增大而减小;不同体型掺气坎的临界冲击角是不一样的.研究成果可为掺气坎的设计提供参考.     

低弗劳德数下挑坎体型对掺气的影响试验

通过变换坎高及挑坎坡度,制作不同体型的挑坎模型,将其置于可变坡有机玻璃水槽中,研究在不同流量下坎后掺气空腔长度及回水深度的规律。试验结果表明:在其他条件不变的情况下,来流量与空腔长度成正比,挑坎高度对空腔长度的影响比挑坎坡度要大得多;流量越大,空腔回水深度越低,而空腔回水深度却随着挑坎高度的增加而增加,挑坎高度的增加与回水深度的减轻并不成正比;在试验条件下,射流水舌冲击角5.5°时已出现空腔回水,空腔回水的出现与射流水舌冲击角密切相关,但归根结底还是与来流条件、水槽底坡、掺气坎体型的确定有关。     

泄洪洞突跌掺气坎后无压洞底坡段的变化对掺气影响的研究

针对大渡河金川水电站泄洪洞闸后突跌掺气坎空腔回水严重,造成泄洪洞掺气困难的问题,经过系列优化,提出了较优的掺气坎体型,同时针对导流工况低弗氏数情况下掺气坎效果不佳的问题,提出了导流期结束后再修建掺气设施的建议,可以为类似工程提供参考。     

泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究

对高水头、大单宽流量、低佛氏数、小底坡长明流泄洪洞，在反弧段末端采用常规的掺气坎往往难以取得理想的掺气效果，同时，反弧段下游边墙易出现空蚀破坏。本文在大比尺模型试验的基础上，提出了竖向、纵向及横向三维均连续变化的新型掺气坎，并对比分析了掺气坎三维体型的变化对掺气特性的影响。试验表明，空间三维连续变动的V型坎能使挑射水流形成连续变化的空腔长度，较二维掺气坎在上述特点的泄洪洞中能形成稳定的空腔形态、减小空腔回水并提高挟气量。试验同时表明，泄洪洞反弧末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低，容易出现空化；同时，反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分，底部强迫掺气尚未充分扩散，致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区，从而容易导致反弧段下游边墙的空蚀破坏。     

V型掺气坎在龙抬头式泄洪洞中的应用

本文通过试验研究,从掺气坎后空腔区的三维形态考虑,提出了一种新型V型槽式掺气坎(简称V型坎),其主要特点是:坎后射流水舌的流速、挑角和高程沿中心向两侧保持连续变化,其水舌落水点范围即空腔长度成为一连续变化的曲线,且沿曲线水流流速亦呈连续变化,很好地减弱或消除了龙抬头式泄洪洞掺气坎后水流落水处产生的回水.在V型坎出口断面处,水流的三维扩散充分,水舌与空腔的接触面明显增大,对底空腔长度、通气量等掺气特性指标都有明显改善.     

明流泄洪洞掺气减蚀设施优化试验研究

通过水工常压模型试验，对高水头、大单宽流量、小底坡龙抬头式明流泄洪洞掺气坎进行了系统的试验研究及优化试验，提出了一种新型的V形掺气挑坎。该掺气坎的空腔长度沿水流的横断面方向是连续变化的，射流挑距两边长、中间短，尽管最小空腔的长度可能已小于临界值，但由于最大空腔长度仍远大于临界值，在其作用下，便可使回流退去，空腔恢复，保证一定的通气量。这对类似工程掺气设施的合理设计有十分重要的参考意义。     

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。     

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设施研究综述

根据国内外大量的工程实例,在前人研究的基础上,总结了高水头、高流速下泄水建筑物掺气设施的几个主要水力特性,包括掺气坎体型尺寸、空腔长度、空腔负压、掺气井通风量与掺气保护长度等,同时对具有高水头、高流速、小底坡、低弗劳德数等特点的泄水建筑物掺气设施体型研究成果进行了综述,指出目前掺气减蚀理论研究落后于工程实践,有待进一步的深入研究.     

高水头、小底坡泄洪中孔掺气坎体形优化与运行实践

高水头、小底坡、水位变幅大的掺气设施体形优化难度大。某水电站泄洪中孔最大水头达92.37 m,底坡仅5.0%,运行水位变幅为11.37 m,掺气坎体形是设计难点。基于1∶40的单体水工模型试验,对掺气坎的体形进行了系列优化,获得最终推荐体形。研究表明:采用“坎下局部变坡+小挑坎+掺气槽”的设计,能满足高水头、小底坡、水位变幅大的泄槽掺气要求,各道掺气坎均能形成稳定空腔,掺气效果较好;掺气挑坎的细节尺寸对掺气效果极为敏感;建议建立掺气空腔与其影响因子的数学分析模型,以获得掺气坎优化体形的最佳解。该工程目前已运行近7年,总体效果良好,但突扩突跌后的侧墙发生了局部空蚀,表明对高水头泄水建筑物,宜同时采用减压模型全面、充分论证其局部空化特性。     

掺气折流器对侧空腔和底空腔长度的影响

在突扩突跌掺气设施中，为保证掺气效果，增加底空腔的长度，加设折流器是有效的工程措施。试验证明，折流器坡度和高度对空腔长度均有影响，较高的折流器增加空腔长度明显，且使底空腔与侧空腔贯通，有利于底空腔充分掺气。回溯水流使底空腔变短，有效空腔长度是影响掺气效果的重要因素。在空腔长度的计算中应综合考虑，顶板坡角，跌坎挑角和折流器体型的影响，得出的计算公式有实际应用和理论意义。     

通气孔对掺气坎空腔长度影响的试验研究

掺气坎空腔长度是控制掺气减蚀效果的一个重要参数.影响掺气坎空腔长度的因素众多,其中一个是空腔内负压,而空腔内负压又与通气孔的面积有关.通过水槽试验,研究了不同流量、挑坎高度、挑坎坡度、水槽底坡等因素发生变化时,通气孔面积对空腔长度的影响.试验结果表明:通气孔大小对空腔长度的影响明显,在其他条件不变时,通气孔的面积越大,形成的空腔长度就越长,但当通气孔面积大于一定数值后,空腔长度将不再增加.因此在工程中,必须保证合适的通气孔面积,以形成良好的掺气空腔,有效地完成掺气减蚀.     

缓底坡、低Fr明渠掺气设施水力特性试验

针对传统的低弗劳德数、缓底坡明渠遇高水头大流量水流时存在空化空蚀的风险,提出一种布置于有压进口处的新型楔形掺气减蚀设施。通过模型试验,对该楔形掺气设施后的空腔形态、掺气浓度进行了测量。结果表明,采用这种新的掺气设施可以产生稳定的掺气空腔,明渠水体掺气效果明显,并能较快发展至底板,从而对明渠起到掺气保护作用。     

泄洪洞掺气设施效果影响因素的主成分分析

为了揭示影响掺气设施效果的主要因素,收集了国内外31个大型水电工程泄洪洞中安全运行的73个掺气设施相关资料(包括掺气设施结构参数、设计条件下的水力参数和空腔长度等资料),统计分析了这些掺气设施各结构参数的选用频率分布和空腔长度的出现频率分布。在此基础上,应用主成分分析法,定量分析结构参数与水力参数对空腔长度的影响程度。统计结果表明,大多数掺气设施的挑坎高度tr选用范围分布在0~0.8 m区间,选用比例高达85.33%;挑坎角度θ选用范围多集中于4°~8°区间,选用比例达60.0%;坎前底坡i_1和坎后底坡i_2的选用频率多集中于0~0.15区间,选用比例约59%;空腔长度L出现频率绝大多数集中于6~36 m区间,出现频次超过98%;在空腔长度的诸多影响因素中,坎前坡度i_1和坎后坡度i_2对空腔长度的影响最大,均超过了28%,Fr的影响占据了25.12%,tr/ho的影响占据了15.01%,挑坎角度θ的影响最小,仅占2.62%。研究结果可为掺气设施的设计和运行管理提供参考依据。     

泄水建筑物掺气坎底空腔回水探讨

该文主要采用数值模拟的方法,对明流泄洪洞掺气坎底空腔回水问题进行了探讨.通过对连续坎及三维异型掺气坎(U型、V型和凸型掺气坎)后落水区形态,水舌三维流态以及落水区流场结构等水力特性进行分析发现:当水流经过掺气坎后,中间水流较为集中时,主流方向的能量较大,不利于水流在底部落水区域的充分扩散;水流出坎后横向扩散的方向对抑止空腔内回水壅堵较为敏感,掺气坎后水舌向两侧扩散的水流与边壁的相互作用容易产生回水.结合掺气坎后水流的细部结构得出,影响掺气坎后空腔回水的主要因素为:出坎水舌落水区的纵向分布范围与横向分布范围的关系以及水舌入水角度.     

小底坡泄洪洞掺气减蚀设施体型试验研究

本文以大渡河金川水电站泄洪洞为例,通过闸门不同开度,对泄洪洞掺气设施体型的试验研究比较,得出了适合小底坡泄洪洞的掺气设计体型,其不仅能形成稳定的进气空腔,较好地解决了空腔的回水问题,而且对水流干扰很小,不影响洞内水流流态。