掺气坎后射流空腔积水的二维 紊流数值模拟

在不考虑掺气浓度分布情况下将掺气坎上的水流流动按水气分层两相流进行研究,采用 VOF方法和k}e紊流模型进行数值模拟,得出了不同类型坎下积水情况和水舌形态。研究认为,掺 气坎体型尺寸及下泄流量不变时,掺气空腔内积水程度随泄槽底坡加大而减弱直至消失;掺气坎体型 不变,佛氏数的变化仅随流速变化时,佛氏数增大则积水程度减弱直至消失。对某大型水利工程放空 洞掺气挑坎的数值计算结果与试验结果吻合较好,表明将紊流数学模型用于掺气坎后射流空腔积水的 数值模拟是合理可行的。     

掺气坎(槽)射流空腔长度的计算

从分析掺气坎(槽)射流微分水体受力的力学关系出发，考虑了空腔内负压及运动液体所受离心惯性力的影响，建立起射流水舌下缘液体质点运动轨迹的微分方程．提出一种通过物理力学概念求解射流空腔长度的计算方法，并分析了空腔内负压、挑角等水力参数对射流空腔长度的影响．计算结果与试验值吻合良好。     

泄槽反弧段掺气坎的空腔特性

空腔特性是影响掺气效果的重要因素之一,而空腔长度和空腔积水是反映掺气空腔特性的两个重要指标。通过二维数学模型建立和数值模拟计算,对反弧半径、掺气坎体型与反弧段水流特性及掺气空腔特性的影响关系进行研究。根据数值模拟结果可以看出,反弧半径的增大会引起空腔长度的增长而减短空腔积水长度;挑坎坡度越陡,空腔长度和空腔积水长度都会变得越长;空腔长度和空腔积水长度都与挑坎高度成正比关系。本结果可以为优化掺气设施提供科学依据。     

泄槽底部掺气坎后水流掺气浓度分布模型试验

针对泄槽底部掺气坎后的掺气浓度分布规律较为复杂、研究成果较少的问题,为了更清楚地探究泄槽底部掺气坎后上游直段、反弧段及下游直段水流掺气浓度分布规律,采用含有反弧段的泄槽进行模型试验研究。试验结果表明:上游直段、反弧段及下游直段水流中不同水深处掺气浓度的沿程变化规律是不相同的;其他条件不变时,水流掺气浓度随掺气坎高度的增加而增大,随反弧段反弧半径的减小而减小;掺气坎高度和反弧半径对掺气设施的有效保护范围有一定的影响,适当提高掺气坎的高度和反弧段的半径对增大掺气设施的有效保护长度有利。     

对设有掺气挑坎泄槽底板拖曳力计算的探讨

通过对泄槽底板结构特点和水流特点的分析,推导出设有掺气挑坎的泄槽底板拖曳力计算公式,并对影响拖曳力的主要因素及局部拖曳力在总拖曳力中所占比例进行了分析和探讨.结果表明:当泄槽内设有掺气挑坎时,随流量、流速的增加,局部拖曳力在总拖曳力中的比重也随之上升;在一定流量下,位于泄槽下部的板块所承受的总拖曳力较大;掺气挑坎的挑角增大会使局部拖曳力显著增加,并造成局部拖曳力在总拖曳力中所占比重的大幅增加.     

通气孔型式对超宽泄槽的掺气影响研究

结合某水电站溢洪道现场泄流流态,采用数值模拟方法对溢洪道泄槽段掺气坎附近流态进行分析,与实际工程的泄流流态进行对比,分析泄槽的水深、流速、压强等水力特征要素,并对不同通气孔面积的掺气坎进行泄洪模拟分析.此研究成果可应用在类似实际工程中,为泄槽布置掺气减蚀的结构型式提供参考.     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

土石坝坝顶溢洪道带多层水平加固的泄槽底板的稳定分析

在高山峡谷河流上修建土石坝,若溢洪道布置在岸坡上,开挖工程量会很大。为节约工程造价可将溢洪道直接布置在坝体上。坝体溢洪道的泄槽一般都比较陡,为确保其稳定性现对泄槽底板进行多层水平锚筋加固。通过对泄槽底板的稳定分析得出锚筋的数量和长度与其受力的关系式,为今后工程设计提供理论依据。     

掺气减蚀设施后二维空腔流动计算

本文发展了文献[4]中提出的求解自由面重力流的h2类边值问题理论。运用解析函数的Riemann-Hilbert混合边值问题的h3类边值问题理论，导出了计算有重力作用情况下双自由表面二维空腔势流流动的边界程分方程，提出了确定空腔区水舌下自由表面的计算格式，并在物理平面上进行了数值求解。表明，该数值方法具有收敛速度快、边界适应能力强、计算量小、计算精度高和对初值要求不高等特点。计算结果与实测资料对比分析表明，来流佛氏数Fr<7情况下，无需考虑阻力影响，采用势流模型即可获得与实测值相符合的结果；而在来流佛氏数Fr>7情况下，由于射流掺气加剧，需引入阻力修正。     

掺气坎射流出射角的修正方法

掺气坎后射流出射角受到来流水深和射流紊动扩散的影响,不等于挑坎的挑角,计算掺气空腔长度时,应该对出射角进行修正。而目前采用的考虑紊动扩散对出射角影响的修正方法存在不合理的假设。考虑到坎末水流流态为充分发展的紊流,射流边缘处于紊动能耗散区,提出了一种紊动扩散对出射角影响的修正方法。采用该方法计算的射流紊动扩散角与试验结果更吻合。对出射角修正后,结合简单的抛射体公式,就能较精确地估算掺气空腔长度。     

泄槽底板与侧墙联合掺气保护长度试验

为了研究近壁处水流掺气浓度分布的变化规律,通过模型试验研究了不同底坎坎比和不同侧坎坎比组合下掺气保护长度的变化规律,并通过单因素敏感性分析法分析了掺气保护长度对掺气坎坎比变化的敏感性。结果表明:在其他条件不变时,底掺气保护长度随着流量的增大而增大,同时与底坎坎比成正比;随着侧坎坎比增大,底掺气保护长度略有增大的趋势,但影响不大;侧掺气保护长度也随着流量增大而增大,但与底掺气保护长度的机理不尽相同;随着侧坎坎比的增大,侧掺气保护长度总体趋势增大,但影响程度表现为先大后小;虽然侧掺气保护长度对侧坎坎比的敏感性远大于底掺气长度对底坎坎比的敏感性,但底坎坎比却更为重要;合理的掺气设施组合才能有效地提高掺气保护范围。     

基于VOF模型的泄槽内掺气槽的三维 流场数值模拟

通过采用RNGk}e模型模拟湍流,利用VOF法追踪自由水面,对设置掺气槽前后两种方案 的陡坡泄槽段三维流场进行数值模拟。模拟结果表明,VOF模型是模拟带自由表面水力学问题的较 好方法,能够较好地对掺气空腔的自由面进行追踪。数值模拟结果与模型实测值二者吻合良好,表明 该种方法可用于计算掺气槽内掺气空腔的长度。     

堆石坝坝顶溢洪道带有水平阻滑板泄槽底板的稳定分析

目前国内外有关堆石坝坝顶溢洪道的工程实例较少,对其结构设计理论的研究也不多,仅有少量的买验。虽然仅有的几个工程实例也取得了一定的成功,但其设计主要是凭经验来确定,并且都还没有经过设计流量考验。从静力学的角度出发,通过对堆石坝坝顶溢洪道（带有水平阻滑板）的泄槽底板进行稳定分析,得出了水平阻滑板长度与其所受各力之间的关系式和安全系数表达式,为今后的工程设计提供理论计算方法,经实例验证该方法是可行的。