洞内淹没射流及水平旋流梯级内消能的适用性研究

为了适应高水头泄洪消能的需要,提出了一种新型的泄洪内消能工,即洞内淹没射流与水平旋流梯级内消能工。以流量1 200 m3/s、最大总作用水头150m为标准进行了该消能工的体型设计,然后对设计的消能工进行了1∶60.25几何比尺下的水工模型试验。结果表明:下游出现与明渠相似的多种水跃流态,淹没射流孔口系数0.5~0.56,起旋器喉口流量系数0.32~0.35之间;旋流空腔直径先增大后迅速减小最后平稳,在旋流阻塞孔口处空腔直径又迅速增大最后稳定;下游水位H下小于2.0 D时,下游旋流洞段压强相对变化幅度较小,H下大于2.0D时,上下游水位对旋流洞压强影响较大;上游水位的变化不影响淹没射流速度相对变化,下游水位的变化,对水平旋流洞段影响较大;上游淹没射流消能、竖井消能、旋流洞消能与下游旋流阻塞扩散消能的消能率分别占总消能率的15%、10%、30%、10%,其中下游水平旋流洞段承担主要消能部分。     

水平旋流泄洪洞的基本流态与影响因素

通过模型试验,对上下游水位、通气孔直径、水平洞洞长和起旋器收缩断面面积比对水平旋流泄洪洞的流态的影响进行了研究。结果表明,在竖井为有压流的条件下,水平旋流泄洪洞的流态可分为自由流、吸吮流和淹没流3种基本流态,流态的分类与转变受各种因素的影响;通气时,水平旋流洞内旋流的空腔直径大而均匀,水流旋转的强度增大;不同的洞长,流态从吸吮流向淹没流转变时过渡区的相对上下游水位差相同,但洞长越大,吸吮流的范围越大,转变为自由流流态时所需要的起旋器出口的水流弗劳德数也越大;起旋器出口面积比不同时,流态分区的临界水力条件是不同的。     

高水头旋流阻塞复合内消能工水力特性研究

旋流阻塞复合内消能工是适用于高坝泄洪消能的一种新型消能工,为了分析其在超高作用水头下的泄洪消能适用情况,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,对200 m作用水头条件下该消能工的水力特性进行了研究。结果表明：泄流量为1 547 m³/s,略大于设计值,满足泄流要求;洞内形成了稳定的空腔旋流,旋流洞段空腔直径约6~7 m,旋流角约60°,壁面压强约110×9.8 kPa,最大点流速约45 m/s;起旋器与旋流洞段为0.050~0.274 Hz的低频脉动,且水流空化数均大于1.2,运行安全;阻塞扩散段末端最小瞬时负压为-3.81×9.8 kPa,且水流空化数较小,但水流掺气率较高,有利于减免发生空蚀;阻塞扩散段末脉动优势频率为46.99 Hz;总消能率达82.1%,消能率高。研究成果可为该复合消能工在高水头下的泄洪消能应用提供参考。     

阻塞式旋流泄洪洞空腔环流的能量特性

旋流泄洪洞内的空腔环流既不同于常规有压流，也不同于明流，因此采用理论分析和模型试验相结合的方法，建立了空腔环流断面的能量积分表达式，并对具有较好抗空化特性的阻塞式旋流泄洪洞内空腔旋流的能量特性进行了研究。结果表明：建立的空腔旋流能量方程利用相关水力特性进行计算的结果符合洞内的能量变化和转化规律，随着阻塞面积收缩比的增大，空腔环流的压强势能所占比例明显增加，动能所占比例减小，与阻塞收缩比增大时壁面压强增大、流速减小的规律一致；在水平洞起始段，切向动能大于轴向动能的部位延长，在阻塞面积收缩比m=0.49时，约增长至5倍洞径长处；增加阻塞，对竖井段的能量损失影响很小，但能较大提升水平旋流洞段的消能率。     

高水头水电站 “三洞合一”布置的体型优化试验

针对某水电站坝址河道狭窄现状,采用放空洞、旋流竖井泄洪洞与导流洞"三洞合一"技术优化枢纽布置。通过模型试验,分析旋流竖井泄洪洞泄流能力及相关水力特性,评价了结构尺寸设计的合理性。提出在放空洞连接段采用曲线型阶梯消能工的措施,通过试验得到了优化体型。研究表明,采用曲线型阶梯消能工后,连接段流态平稳,水流掺气充分,并且消能效果显著,在单宽流量为54.3 m3/(s.m)时阶梯段的消能率达到了43%。在洞内连接段布置阶梯消能工可有效改善枢纽布置。     

旋流阻塞复合式泄洪洞的水力特性(2)

 通过模型试验对旋流阻塞复合式泄洪洞的压力、旋流角和空腔直径等水力特性进行了研究。设置阻塞后,起旋器与阻塞之间的水平洞段正压力明显增加与均化,沿程压力变化减小;由于离心力与旋流的作用,阻塞出口之后是完全掺混的水气两相流,阻塞后流速降低,空化的可能性减小,旋流洞段的范围极大地缩短;空腔直径减小,通风量需求减小。因此可利用水平旋流内消能泄洪洞的阻塞效应,进一步改善导流洞改建时的结构设计与防护措施。     

高水头大流量泄洪洞内消能工研究进展

为了降低工程投资,提高泄洪安全,防止出口冲刷、雾化和高边坡不稳定现象,近20年来国内外对各种内部消能的泄洪洞进行了研究,部分成果如旋流竖井(洞)、孔板(洞塞)和消力井等内部消能工,已应用到实际工程中。本文对这几种内部消能工的应用条件、消能效果和运行的可靠性进行了比较研究。认为旋流式和消力井式消能工适用于下游水位较低的条件,前者采用连续旋转和扩散消能,消能率高,掺气充分,可有效防止发生空蚀;后者采用井内集中消能,相对而言消能率较低。而孔板(洞塞)式消能工适用于下游高水位条件,其消能率较低,同时为了避免洞内发生高压不稳定气团流动,进水口闸门必须控制在高库水位运行。比较而言旋流式泄洪洞具有较大的优越性。     

大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞阻塞扩散段试验研究

以两河口水电站3#导流洞改建为复合式大坡降水平旋流内消能泄洪洞为例,对大坡降水平旋流洞末端和导流洞之间的衔接方式进行了试验研究。提出了阻塞渐扩和阻塞突扩两种不同的衔接方式,并对两种旋流扩散体型局部流态及壁面压强、断面掺气浓度、旋流扩散轨迹等水力特性进行了量测与分析,得到各体型旋流扩散段流态及各项水力特性随上游水位变化的基本规律。     

大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞阻塞扩散段试验研究

以两河口水电站3#导流洞改建为复合式大坡降水平旋流内消能泄洪洞为例,对大坡降水平旋流洞末端和导流洞之间的衔接方式进行了试验研究。提出了阻塞渐扩和阻塞突扩两种不同的衔接方式,并对两种旋流扩散体型局部流态及壁面压强、断面掺气浓度、旋流扩散轨迹等水力特性进行了量测与分析,得到各体型旋流扩散段流态及各项水力特性随上游水位变化的基本规律。     

白鹤滩水电站尾水洞明满流段优化试验研究

白鹤滩水电站尾水隧洞末端部分洞段由导流洞改建而成,尾水位较低时,存在明满流现象,对输水系统安全有重要影响。本文采用模型试验方法,对明满流段的流态及体型优化进行研究。结果表明:过渡过程中,尾水洞内正反向水流相叠加,产生水面涌波,触顶后形成眀满流,并伴随压力脉动现象。脉动压力的极值远小于隧洞衬砌压力的设计值73.5 m,对尾水隧洞衬砌段结构影响较小。结构优化研究表明在尾水隧洞出口设置逆坡堰及优化衔接段坡度,可有效改善明满流流态。     

水跃对水平管弹状流压力降的影响

本文对气、液两相分别应用一维形式的质量守恒方程和动量守恒方程。假设各流动物理量在水跃面上具有第一类间断点,推导出水平管弹状流中水跃压降的表达式。对以水和空气为流动介质,内径为２５．８ｍ,５１,２ｍｍ和３００ｍｍ的三种管道,在液相表观流速为１．１１ｍ／ｓ,气相表观流速为２￣１０ｍ／ｓ的范围内,计算出了水跃压降的大小随Ｌｏｃｋｈｒｔ－Ｍａｒｔｉｎｅｌｌｉ参数的变化关系,分析了水跃压降对水平管弹状流摩擦     

c型折坡水跃特性的试验研究

水跃消能是水利工程中经常用到的消能形式,国内外许多学者对水跃进行了大量的研究。在工程实践中发现,c型折坡水跃的水力特征值与规范方法计算得到的值有较大差异。文章针对c型折坡水跃特性进行了试验研究,并结合量纲分析和数值分析方法,得出以斜坡段坡角θ为参数的c型折坡水跃跃后水深、水跃长度的计算公式,并利用水槽试验数据和实际工程水工模型试验对公式进行了验证。结果表明:所得公式的计算误差不超过±12%,可供工程设计计算参考。     

二维非定常水跃湍流现象的数值模拟

通过求解时均N-S方程及K-ε湍流模型,数值模拟了典型水跃湍流由静止到最终稳定的全过程,采用VOF模型跟踪自由表面的变化.本文给出了水跃现象在不同时刻自由表面的变化情况,主要对水跃过程中自由表面的形状、内部流场结构、速度矢量场及压力场分布进行了分析.结果表明,VOF模型能够有效地描述水跃这类复杂自由表面流道的湍流特性,...     

ATOMIZATION CAUSED BY BOTTOM FLOW ENERGY DISSIPATION

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＢｏｔｔｏｍｆｌｏｗｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｃｏｍｍｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｆｏｒｆｌｏｏｄ ｒｅｌｅａｓｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｗａｔｅｒｈｅａｄ .Ｉｔｓｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｄｅｐｅｎｄｓｍａｉｎｌｙｏｎｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔａｃｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｊｕｍｐ .Ｔｈｅａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｏｆｂｏｔｔｏｍｆｌｏｗｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ…     

异重流的交界面曲线形式

分析了平底坡情况下两层不同密度的异重流,上层静止下层流动或上层流动下层静止时的内水跃与明渠均质流动中的水跃之间的相似关系.在此基础上,从明渠一维渐变流公式和异重流运动方程导出了明渠渐变流水面曲线与两层异重流交面曲线之间的相似关系.通过实例验证了本文的论述.     

自由临界水跃跃后水深的探讨

自由临界水跃的跃后水深对设计消能防冲工程的安全和经济性起着很重要的作用 .为解决跃后水深的准确计算问题 ,推求出应用范围较大的跃后水深计算公式 ,并举例进行分析计算 .结果表明 ,文中公式可以满足消力池和冲刷坑水力计算的需要 .     

伴有局部掺混的异重流水跃

为了分析伴有局部水体掺混的异重流内部水跃上下游水力因子之间的关系，本文利用动量方程和连续方程推导了包含上下层流体之间水量掺混的内部水跃的理论表达式，并用水槽试验对该理论公式进行了验证。结果表明无论对稳定内部水跃还是移动内部水跃计算所得的水量掺混系数均比试验值约小10％，初步验证了本文所提出的理论计算方法。     

正坡和反坡上的内水跃

本文对于正坡和反坡两种情况,根据上、下层的动量方程和能量方程分析了两层液体的内水跃流动现象,研究并得出了不同流动情况下发生内水跃的条件。     

洪门水库溢洪道消能试验

经对比试验，针对洪门水库溢洪道水流佛汝德数低及转向归槽的特点，提出稳妥可靠的二级消力池底流消能方案。运行表明，效果良好。     

导流墙对闸后三元水流特性的影响

为避免或减轻多孔水闸少数孔开启时产生的突扩式三元水跃及次生二次水跃对闸后防冲设施及河道的冲刷破坏,针对平板闸门单孔开启和连续3孔开启情况,在消力池中分别设置4种不同长度导流墙,通过物理模型试验和三维数值模拟研究了相应水跃特性及流速、流态特征。模型比尺采用1:100,数值模拟采用RNG k-ε紊流模型和VOF方法。结果表明:在连续3孔闸门开启,闸门开度为1 m的试验条件下,导流墙长度为消力池长度的50%, 60%, 75%和100%时与未加导流墙情况相比,跃后水深分别降低了4.16%, 1.66%, 1.94%和2.22%;二次水跃距离分别缩短了17.14%, 14.29%, 2.86%和1.43%。导流墙长度为消力池长度的50%时跃后水深与二次水跃距离降幅最大,海漫上流速分布更加均匀。试验结果可为闸下消能设计和工程运行管理应用提供借鉴和参考。