高水头大流量泄洪洞侧壁掺气设施水力特性研究

本文利用模型试验方法,对高水头大流量泄洪洞高流速明流洞段边墙掺气设施的水力特性开展了系统研究。在分析侧壁掺气效果的影响因素及下游边墙水翅成因的基础上,提出了两种防水翅侧坎体型,该体型通过控制侧空腔长度沿水深方向的变化,在保证掺气效果的同时能有效抑制侧墙水翅的形成。研究还表明,设置侧壁掺气设施一般会影响底部掺气效果,应对掺气底坎和侧坎进行整体优化。最后,基于对侧坎水力特性的综合分析,提出了侧壁掺气设施体型设计原则及优化方法。     

突扩突跌侧空腔掺气水力特性大涡模拟

基于模型试验和大涡模拟紊流模型及具有自由面追踪功能的VOF单流体模型,对中闸室出口处突扩突跌掺气设施侧空腔长度和侧墙上的水力特性进行了试验和数值模拟研究。试验与数值模拟结果表明：大涡模拟可以更为精细地揭示近壁水流特性。本文的掺气设施可形成较长的侧空腔,水流与侧墙接触后侧墙上未见负压区存在,水流对侧墙的动态冲击会在靠近侧墙的下游水流中形成大量气泡;较大的水翅不利于侧空腔的掺气,并会引起下游水流产生不利的流态。     

侧墙掺气坎空腔长度初探

侧空腔长度是侧墙掺气坎设计时考虑的重点内容。采用模型试验和三维数值模拟,对侧墙掺气坎空腔长度的影响因素进行了探讨。结果表明,用紊流数学模型来模拟泄水道反弧末端侧墙掺气坎的空腔长度是可行的;侧墙掺气坎空腔长度不仅与侧墙掺气坎的体型尺寸有关,还与底部掺气坎的体型尺寸有很大关系。在设计侧墙掺气坎时,需同时考虑底部掺气坎的尺寸。     

槽形挑坎结合局部陡坡型掺气坎设施在瀑布沟水电站泄洪洞中的应用

为解决大渡河瀑布沟水电站泄洪洞大流量低Fr数缓坡泄洪洞掺气坎空腔易回水问题,通过1:35水工模型试验,对新型的梯形槽坎+缓坡平台+局部陡坡型的掺气设施进行了对比试验研究.结果表明该形式的掺气设施是一种较优的布置形式,其适应的水位范围较大,掺气效果明显,无需加设排水设施;在库水位840m以上时各级掺气坎积水基本消除.进一步说明了该款掺气设施能适应本工程缓底坡、大流量及低Fr数流动的掺气要求.该体型掺气设施对类似工程的设计及修复具参考价值.     

掺气挑坎、水流佛氏数及坎后空腔负压对空腔积水的影响

掺气减蚀是使泄水建筑物免遭空蚀破坏的重要措施.为提高掺气减蚀效果,应避免掺气空腔出现严重积水,使水流存掺气空腔内充分掺气.影响掺气空腔积水的因素众多且复杂.本文通过本文作者建立的掺气坎射流曲线方程和掺气空腔积水方程,分析计算了掺气坎坎高、挑角、水流佛氏数、空腔负压对射流空腔积水的影响.计算结果表明,在一定范围内增大掺气坎坎高和挑角对减弱掺气空腔积水是有利的;水流佛氏数增大.空腔积水减弱;空腔负压大,则积水严重.研究成果可为掺气坎的没计提供参考.     

高水头弧形闸门突扩跌坎及掺气设施体型研究与工程实践

随着水电工程的泄水孔道设计向高水头方向发展,采用突扩跌坎弧形门布置方式可以较好的解决高水头弧形闸门的止水安全等问题;但结合掺气减蚀设施布置的突扩跌坎具有不同于一般闸门孔口的水力特性,一些工程出现了原因各异的破坏现象。通过对国内外部分采用突扩跌坎布置的泄水孔道体型参数以及运用情况的分析,对水布垭面板堆石坝高水头放空洞突扩跌坎及掺气设施进行了综合选型,并进行了水力学模型试验,研究了突扩跌坎闸门区的水力特性、空化特性及水流掺气特性,分析了530m长的高速明流洞只设一道掺气设施的可行性。经过原型工程长时间、超高水头的泄洪考验,放空洞突扩跌坎闸门区与高速明流洞均无空蚀现象,表明水布垭面板堆石坝高水头放空洞弧形闸门突扩跌坎掺气设施选型以及在530m长的高速明流洞只布置一道掺气设施研究取得了成功,可供同类高水头泄水建筑物设计时参考。     

基于正交设计的掺气坎体型参数敏感性分析

通过数值模拟,并结合工程实际,应用正交设计法对掺气坎体型参数进行了空腔特性的敏感性分析,通过极差与方差分析得出了各参数对外空腔长度、内空腔长度等空腔特性的影响效应及权重大小。为掺气坎的体型设计提供了一定的理论依据,在工程实际中具有较强的应用参考价值。     

高水头冲沙放空洞边墙空蚀破坏原因探讨

有压接无压突扩突跌掺气设施掺气效果关系到工程泄洪安全.结合工程实例,通过模型试验对突扩突跌掺气水流流态、掺气空腔形态、壁面压力分布及水流空化特性等水力特性进行测试与分析.研究表明,高速水流突扩后冲击渐扩边墙起点附近,水流反射脱离壁面后引起局部压力条件恶化,同时,该处掺气空腔长度不足,边壁掺气浓度偏小,没有很好起到掺气减蚀作用,从而导致边墙空化空蚀发生.研究成果可为工程成功修复提供重要参考.     

非对称Y型宽尾墩体型对阶梯掺气空腔长度及负压的影响研究

为了研究Y型非对称宽尾墩体型对阶梯掺气空腔长度和空腔负压的影响,本文采用水气两相流VOF方法的三维RNG k-ε紊流模型,利用几何重建格式进行水气面附近的插值,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,用非定常流算法逼近定常流的稳定解,对宽尾墩收缩比分别为0.598、0.497和0.445的Y型非对称宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的阶梯掺气空腔长度和阶梯压力分布进行了数值模拟,模拟范围从上游库区至下游消力池尾坎。并对阶梯掺气空腔长度进行实验,将所得实验结果与模拟结果进行对比,发现计算阶梯掺气空腔长度与实测空腔长度基本吻合,最大误差为9.7%。模拟结果显示,随着非对称宽尾墩收缩比减小,阶梯掺气空腔长度逐渐增大,且侧收缩角较大一侧的空腔长度是侧收缩角较小一侧空腔长度的4~5倍。空腔负压随收缩比减小而减少,但阶梯负压分布范围逐渐扩大,各级阶梯外边缘均出现负压,空腔内最大负压出现在首级阶梯垂直固壁面上。     

泄洪洞掺气水流的数值模拟研究

掺气减蚀段流场为水气两相流,掺气空腔后水气混掺剧烈,数值模拟难度大,尤其是临底掺气浓度,查阅的文献中计算结果普遍偏大。结合泄洪洞掺气设施对掺气水流进行数值模拟研究,通过二维流场模拟对不同的两相流模型和特征参数进行比较,总结出掺气水流的模拟方法。采用Eulerian模型对掺气水流进行三维全域流场模拟,对比分析水面线、通气量、掺气浓度等水力参数,计算结果与实测数据吻合较好,临底掺气浓度分布与实际情况相符,突破了掺气水流的模拟瓶颈,该模拟方法可为实际工程服务。     

U形渠道底坡对圆头量水柱测流的影响分析

为研究渠道底坡对圆头量水柱水力性能的影响,分析其在我国北方灌区的适用性,在U形渠道中对6种底坡、6种收缩比、3种长宽比的圆头量水柱进行了系统试验,分析了该量水设施在U形渠道中的水面线变化规律及不同底坡适宜的圆头量水柱体型,研究了底坡对上游水位壅高、水头损失、上游佛汝德数及临界淹没度的影响。拟合出简明实用具有量纲和谐性的流量公式,测流精度高。试验结果表明:在渠道流量、圆头量水柱收缩比和长宽比相同时,随着底坡的减小,上游水位壅高增加,影响范围逐渐上移;上下游水头损失及上游佛汝德数随着底坡的变陡而增大;圆头量水柱收缩比及长宽比的选择与底坡呈负相关关系;该量水柱具有较高的临界淹没度,可达0.90。     

侧式进/出水口水头损失系数多元线性回归分析

进/出水口水头损失是抽水蓄能电站输水系统水头损失的重要组成部分,准确计算水头损失是评估电站运行经济效益的重要需求。本文通过数值模拟方法研究了14个实际侧式进/出水口的水头损失系数;利用多元线性回归方法,建立了基于侧式进/出水口体型参数计算水头损失系数的回归方程,分析了侧式进/出水口体型参数对其水头损失系数的影响规律。结果表明：侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的影响程度,对出流工况较显著,而对进流工况不显著;出流工况,侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的相关性,扩散段长度、扩散段分流墩中墩缩进距离、水平扩散角、垂向扩散角、分流墩墩头中边孔宽度比和反坡段坡比为正相关,调整段长度和防涡梁段长度为负相关;利用回归方程得到的水头损失系数与数值模拟方法的结果吻合较好。本文建立的回归方程为计算侧式进/出水口水头损失系数提供了新方法。     

抽水蓄能电站岔管导流板体型研究

岔管体型对抽水蓄能电站水头损失影响较大,间接影响到电站的运行效益,岔管体型优化是当前研究的一个热点问题.为减小岔管的水头损失,本文在传统岔管设计基础上,提出一种新的岔管导流板设计方法.采用突缩管验证了数值模拟的准确性,通过数值模拟比较了有无导流板的岔管的流速分布,对岔管导流板的体型进行了优化.结果表明:岔管导流板能够减...     

突扩突跌掺气射流对泄洪洞侧墙水力特性的影响

采用VOF和RNGk-ε紊流模型模拟突扩突跌型中闸室出口高速三维掺气射流。突扩掺气射流冲击壁面的反射作用使近壁流动具有强烈的各向异性,反射流向洞顶扩散形成水翅,突扩宽度和闸室出口水流佛汝德数是影响水翅的主要因素。出闸射流碰撞泄洪洞底板后,反射形成侧壁压力中心,其周围具有较大的压力梯度,容易诱发剪切空化。     

宽尾墩体型对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式中阶梯掺气空腔长度及负压影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式在我国得到了广泛的应用,其中宽尾墩体型参数主要是收缩比。本文采用水气两相流VOF方法的三维RNG k-?紊流模型,利用几何重建格式进行水气面附近的插值,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,用非定常流算法逼近定常流的稳定解,对宽尾墩收缩比?分别为0.7、0.445和0.4的Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的阶梯掺气空腔长度和负压进行了数值模拟,模拟范围从上游库区至下游消力池尾坎。并对阶梯掺气空腔长度进行实验,通过实验和模拟结果的对比分析,阶梯掺气空腔长度与实测空腔长度基本吻合,最大误差为10.0%。因此该数值模拟具有一定的合理性和可靠性。模拟结果显示,掺气空腔长度随收缩比?减小而增大,阶梯最大负压随宽尾墩收缩比?的减小而减少,但阶梯负压分布范围逐渐扩大。     

吉林台水电站泄洪洞突扩掺气体型的试验研究

吉林台深孔泄洪洞模型试验，通过对偏心铰弧门突扩掺气体型水流流态、空腔特性及其对掺气量的影响、侧壁压力分布等进行观测，对突扩掺气体型水力特性进行研究，并对其空化特性进行分析。     

三峡工程泄洪深孔体型及掺气设施研究

本文综述了二十余年来对三峡工程泄洪深孔体型开展的试验研究工作,包括深孔有压段体型、陡槽方案、突扩跌坎式掺气设施、跌坎掺气设施等.研究成果不仅为三峡工程泄水建筑物体型设计和施工提供了依据,也加深了对坝身泄水建筑物体型水力学问题的认识,并为类似水工建筑物体型设计提供了宝贵的研究成果.     

台阶式溢洪道掺气坎水流空腔长度和通气量的试验研究

通过试验研究了台阶式溢洪道初始掺气点的位置、在首部台阶上游加掺气挑坎情况下挑坎后的水流流态、空腔长度、通气量。得出了初始掺气点、空腔长度和通气量的确定方法，供工程参考。     

空化区圆柱突体空化特性的研究

通过空泡与空泡运动方程的研究,建立了水流空化区能量守恒方程,理论上对两种不同流速下圆柱突体诱导的空化区中空化特性进行了数值分析.试验在直流式水洞中进行,圆柱突体高为5mm,底部直径为6mm,掺气孔径为5mm.结果表明:同一流速下空泡半径随着掺气浓度的增加而减小;流速越高,掺气浓度越大,空泡半径越小.同一流速下空化数随掺气浓度的增加而增大;低流速下空化数最大值远大于高流速下空化数最大值,试验数据与理论吻合较好.     

三峡泄洪深孔选型试验研究与工程效果

本文系统回顾了长江科学院1985-1999年期间三峡泄洪深孔选型的试验研究过程,并结合三峡工程蓄水运行以来两次水力学原型观测成果,对深孔泄洪运行效果进行了分析评估.研究表明深孔选用体型水力特性良好,过流能力满足设计要求,压力分布均匀平顺,跌坎下游能形成完整的底空腔,明槽段水流掺气可对坎后坝面形成有效保护,减压试验表明该体型空化特性良好.原型观测成果予以进一步证实,其主要水力特性指标与模型试验趋于一致,过流壁面汛后检查均未发现空蚀现象.三峡深孔的研究成果可为今后相关工程设计提供参考.