浅论掺气设施的消能作用

掺气减蚀设施不仅能有效地减缓空蚀和磨蚀的发生,而且具有一定的消能作用.结合某水电站溢洪道的模型试验研究,分析了溢洪道掺气减蚀工程措施的消能效果,并首次定量地计算了消能率.试验和计算结果表明,在高水头、大单宽流量溢洪道中每道掺气挑坎的消能水头为2～5 m,随着级数的增加消能水头逐渐增加.试验还表明,在满足掺气要求和水流流态平稳的条件下,尽可能多设置掺气设施不仅不会增加工程量,还可以降低泄槽因高速水流冲刷破坏的风险,而且有利于下游消能防冲设计的优化.     

某溢洪道掺气方案优化研究

高水头、大流量的泄水建筑物中易发生空蚀破坏,结合西北某水电站溢洪道工程实例,通过单体水工模型试验,开展溢洪道掺气减蚀研究。试验结果表明:各洪水频率条件的溢洪道泄槽流速较大,水流空化数小于0.3,需要设置掺气减蚀设施。通过分析3种不同掺气设施的减蚀效果可知,挑坎式掺气能缓解空蚀,但下游伴有不同程度的溅水;凸型坎掺气能形成稳定的空腔,且下游无溅水发生;坎槽式可使泄槽内形成稳定的空腔和流态,且易施工,为最优掺气设施。在最优掺气设施中,掺气坎至鼻坎前端掺气浓度较高(0.9%～63.1%),掺气效果良好,达到了掺气减蚀目的。研究结果可为该工程后续消能防冲研究及类似工程的掺气减蚀研究提供理论指导与技术支撑。     

台阶消能掺气试验优化设计研究

台阶式溢洪道掺气效果直接影响其消能率。文章对台阶式溢洪道掺气设施进行水工模型试验,从掺气坎水流流态、空腔长度、空腔稳定性、通气井风速及台阶段掺气情况看,掺气坎体型是合理的,通气井风速满足规范要求。掺气设施的布置,以期为类似工程提供参考。     

带掺气槽岸边溢洪道挑流消能工水力特性

采用RNGk-ε双方程紊流模型对掺气槽、差动式挑流鼻坎和预挖坑联合运行的岸边溢洪道水流流场进行研究,模拟了具有大曲率水气交界面的挑射水舌和掺气坎水流,分析讨论泄槽流态、掺气槽底板最大冲击压力和差动式挑坎压力分布,给出了挑射水舌以及预挖坑的水流结构与速度分布特性,并将计算值与实验值进行对比,两者吻合良好。研究结果表明:泄槽中4道掺气槽的设置能有效减免发生空蚀破坏,但对泄槽中水面有一定的影响;高扩散低收缩差动式挑流鼻坎与预挖坑的联合运用消能效果理想。     

水流掺气对明流泄洪洞及挑坎水力特性的影响

水流充分掺气可以避免高流速泄洪设施发生空蚀,但也会改变相关水力特性。通过对某大坝泄洪洞掺气设施水力模型试验及关于水流表面自掺气发生条件的相关分析,提出了在全程流速超过38 m/s,长度达550 m的明流洞内仅布置一级掺气设施的建议,较通常情况减少了两级;并针对泄洪洞出流方向与河道流向交角达60°的特点,研究提出了一种大差动异型鼻坎消能工。水工模型试验成果表明,其挑流水舌沿河道纵向扩散良好,水舌外缘与河道对岸保持了30 m以上的安全距离。该泄洪洞建成后经历了高水头、较长时间的泄洪运行,明流洞和鼻坎消能工均无空蚀发生,但挑坎水舌却冲刷到对岸边坡。     

清水及浑水高速流掺气和掺气抗磨的研究

本文介绍时明流泄水建筑物高速水流自掺气、槽坎人工掺气以及含沙浑水掺气抗磨的系统研究。通过理论分析、室内试验和原型观测的综合探索。已取得一系列重要研究成果:明流自掺气、人工掺气的掺气最和掺气浓度分布、槽坎掺气减蚀设施的掺气保护长度、含沙水流掺气特性和掺气抗磨效果以及掺气水流的模型律和尺度效应等。     

不同掺气条件下底板水流脉动压强特性研究

针对水流掺气后对脉动压强特性的改变问题,基于矩形陡槽水工模型试验结果,分析了不同掺气设施及不同通气方式泄槽底板的脉动压力标准差沿程变化规律。分析结果表明,自掺气底板水流脉动压强沿程变化平稳;强迫掺气底板水流脉动压力明显增大,并在水舌冲击区呈单峰规律;单独底坎、单独侧坎和底侧联合坎三种掺气设施中,单独侧坎掺气对底板水流脉动压强影响最小。另外同种掺气设施下,增大流量、增大通气孔面积和采用分散进气方式都会增大泄槽底板的脉动压强。     

消力池上游增设消能工消能量的估算

本文提出了一种估算在消力池上游增设的消能设施(加宽尾墩、掺气分流墩、掺气坎、差动坎等)消能量的方法。本文可作为方案比较和消能设施体形尺寸优化的一项重要指标,定量地估算各种消能设施的消能量和效益,供设计和试验研究参考。     

新疆某水电站溢洪道台阶段水工模型试验研究

通过建立溢洪道物理模型,在台阶坡度恒定条件下,试验采用0.65、1.0和1.3 m三种台阶高度,研究不同水位下的消能效率、掺气状况及水流流态,研究表明:同一台阶消能率与单宽流量成反比,单宽流量越大,消能效果越差;对不同台阶高度,台阶高度越高,消能率也越大。增加掺气坎,可使水流充分掺气,水流流态良好,可保证台阶面安全可靠运行。     

底部掺气设施水流掺气量的计算

掺气减蚀是高速水流泄水建筑物减免空蚀破坏的重要措施。为了有效地实现掺气减蚀,必须使通过掺气设施后的强迫掺气水流达到一定浓度的掺气量。利用本文提出的掺气坎射流轨迹的微分方程计算出了掺气空腔长度,并通过掺气坎供气系统的供气量与水流掺气量的平衡,给出了一种通过计算掺气坎射流空腔负压来确定水流掺气量的计算方法。计算结果与试验结果吻合良好。利用该方法,可对通风系统和掺气坎的设计体型进行初步验算,以判别掺气设施能否满足掺气减蚀要求。