不同掺气设施对一体化消能工负压及消能率的影响研究

为了研究阶梯溢流面前几级阶梯与前置掺气坎的不同布置,对宽尾墩+阶梯溢流面+消力池一体化消能工负压及消能率的影响,该文运用水汽两相VOF方法的三维RNGκ-ε模型,对无掺气坎的均匀阶梯、有掺气坎的均匀阶梯(原型方案)、无掺气坎的首级大台阶及有掺气坎的首级大台阶四种方案进行数值模拟,并采用原型方案的水工模型试验验证了模型计算结果的准确性。结果表明:无前置掺气坎的方案一及方案三的WES曲面及阶梯溢流面存在较大负压,无前置掺气坎条件下首级大台阶的设置能减小阶梯溢流面最大负压,但增大了WES曲面最大负压。其中方案一及方案三的WES曲面最大负压分别为-4.32 KPa和-5.03 KPa,阶梯溢流面最大负压分别为-11.1 KPa和-9.19 KPa。有前置掺气坎的方案二及方案四的WES曲面及阶梯溢流面下游不存在负压,最大负压出现在首级阶梯,分别为-9.52 KPa和-0.842 KPa。前置掺气坎与首级大台阶结合的方案四可有效提高消能率,显著减小溢流坝面负压分布范围及负压值。四种方案中,方案四消能率最大,为62.23%,比无前置掺气坎条件下均匀阶梯的方案一消能率58.52%,增大了6.34%。     

阶梯式溢流面消能特性研究

通过物理模型专题研究,并结合国内外相关研究成果,对阶梯式溢流面的消能特性作了较系统的探讨。论述了阶梯式溢流面消能率的影响因子及规律,研究表明,消能率大小与溢流面坡度关系不大,而与单宽流量、阶梯高度及数目存在着定量关系。
关 键 词： 阶梯式溢流面;光滑溢流面;消能率;相对消能率     

台阶式溢流坝试验研究与消能率计算

由于台阶式溢流坝坝面台阶的存在,使下泄水流在台阶之间形成横轴旋滚,并与坝面主流发生强烈的掺混作用,使水流紊动加剧、掺气增强,消散了部分能量,大大减小了下泄水流的能量,改善了坝趾处的水力条件,使坝下游的消能设施得以简化.结合某水电站工程水工模型试验,对台阶溢流坝面的掺气起始位置、台阶坝面水面线、台阶坝面压力和台阶消能率进行了研究探讨.结果表明:影响台阶坝面消能率的主要因素为台阶坝高、台阶的突出高度、台阶坝的坡度和单宽流量.同时根据试验资料推导了消能率的计算公式,该公式可为相关设计提供参考.     

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。     

基于SPH的台阶式溢洪道最优消能率参数研究

为研究台阶式溢洪道的消能规律,明确台阶式溢洪道的最优消能率参数,利用DualSPHysics对台阶式溢洪道水流特征进行模拟,并通过与典型案例的对比分析验证了SPH方法对台阶式溢洪道水流模拟的适用性与准确性,模拟结果表明SPH方法可以较好地模拟台阶式溢洪道上的水流特征。通过建立不同单宽流量、台阶段坡度和台阶数目的共计288种工况对台阶式溢洪道消能规律及其影响因素进行了研究。结果表明：在其他条件一定的情况下,台阶式溢洪道的消能率与单宽流量呈负相关关系;台阶数目对台阶式溢洪道消能率的影响并不显著,但是存在一个台阶数目能使台阶式溢洪道的消能率达到最大值,该最优消能率对应的台阶数目在78~81阶范围内,此结论对指导实际工程应用有一定的参考价值。     

某水库台阶式溢洪道掺气坎优化试验研究

台阶式溢洪道消能效果与其台阶段泄槽掺气浓度密切相关,通过调整掺气坎体型以达到使台阶段泄槽充分掺气,消能率增大。试验研究发现,与原方案台阶段消能率相比较,除设计水位工况消能率有所下降外(小了4.74%),校核水位工况和校核流量工况的消能率分别提高了6.18%和6.64%。设计水位工况消能率减小可能与推荐方案台阶个数减少有关,而校核水位工况消能率增大则说明台阶段的掺气有利于消能。     

斯木塔斯水电站台阶式溢洪道消能设计

新疆斯木塔斯水电站台阶式溢洪道的模型试验表明:台阶溢流面有较好的消能效果,其消能率与台阶尺寸、单宽流量等因素有关,在小流量的情况下,消能率可达到80%以上,对下游冲坑深度也有所降低。本文对此加以介绍。     

台阶式溢流坝的消能设计与试验

由于台阶式溢流坝坝面台阶的存在,使下泄水流在台阶之间形成横轴旋滚,并与坝面主流发生强烈掺气作用,使水流紊动加剧、掺气增强,大大减少了下泄水流的能量,改善了坝址处的水利条件,使坝下游的消能设施得已简化.结合光明水电站水工模型试验,对消能率进行了研究,结果表明:影响台阶坝面消能率的主要因素为台阶坝高、台阶的突出高度、台阶坝的坡度和单宽流量.同时推导出消能率的计算公式.该公式可为相关设计提供参考.     

台阶式溢洪道消能率影响因素分析

台阶式溢洪道利用台阶改变水流方向,导致水流动能耗散,对提高溢洪道消能效果具有重要意义。与光滑溢洪道相比,台阶式溢洪道的消能率更高,因此在水利工程中得到广泛应用。台阶式溢洪道消能效果主要用消能率衡量,与光滑溢洪道比,台阶式溢洪道的水力参数更加复杂。采用室内试验与理论分析耦合方法,分析了台阶式溢洪道台阶高度、流量、坡度对消能率的影响。研究表明:其它参数相同时,台阶式溢洪道长度增加,消能率增加;单宽流量增加,消能率减小;台阶高度增加,消能率增加。     

基于SPH方法的阶梯式溢洪道消能特性研究

为了研究阶梯式溢洪道的消能特性,本文通过二维建模的方式,利用光滑质点水动力学方法(SPH)对31阶阶梯式溢洪道的水流进行数值模拟,将模拟值与试验值进行了对比,并针对2种台阶数目和4种单宽流量共计8种工况,对不同工况的阶梯式溢洪道沿程水深、水流流速以及消能率进行了分析。结果表明,31阶阶梯式溢洪道水流的水面深度、流速和压强模拟值与试验值吻合较好;36阶和60阶阶梯式溢洪道沿程水深和水流流速与单宽流量呈正相关趋势,随着单宽流量的增加而增大,且在水流稳定之后,水面深度和流速都会维持在某一个值附近;而阶梯式溢洪道消能率沿程逐渐增大并在最后一级台阶处达到最大值。同时,当溢洪道体型一定,消能率随着单宽流量的减小呈上升趋势,当单宽流量减小至0.1283m2/s,36阶和60阶阶梯式溢洪道的消能率分别达到了83.67%和82.86%。     

阶梯溢流坝和宽尾墩及消力池组合消能的水流数值模拟研究

采用两相流模型,辅以Realizable k湍流模型,来模拟阶梯溢流坝和消力池组合以及阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合两种联合消能工的水力特性,获得了流速场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率等物理参量的分布。网格划分采用了分区域划分:模型中任何形状不规则的复杂部分采用非结构网格划分,对形状规则的部分则采用了结构网格划分,并根据流动梯度的大小安排网格的疏密程度。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用了VOF法处理自由水面,使用PISO算法求解速度与压力的耦连方程组。比较分析了两种消能工在速度场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率的差异。研究结果表明:受宽尾墩的影响,坝面及消力池中的流速均小于无宽尾墩的情况,而台阶坝面的压强明显高于无宽尾墩的情况;在消力池中紊动动能及其耗散率均大于无宽尾墩的情况。可见,阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合消能工的消能优于无宽尾墩的情况。     

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的紊流数值模拟

宽尾墩 阶梯溢流坝 消力池一体化的坝面泄流形式是我国科技工作者提出的新型水工设施,已在实际工程中有所应用,但缺少数值计算成果。阐述了针对这种极其复杂的坝面形式进行的数值模拟,计算了设计和正常水位条件下的水力特性和宽尾墩进出口处的紊动能以及耗散率,数值计算结果与试验数据基本吻合。数值计算时单宽过量已达141m3/s·m,对宽尾墩 阶梯溢流坝 消力池一体化的方式有必要进行更深入的研究。     

台阶溢流坝的三维水力特性数值模拟

本文简单介绍了台阶式消能工在国内外的应用和发展前景,并以太湖水库工程为例,通过流体仿真软件对该工程的台阶式溢流坝和光滑溢流坝进行数值仿真,对比研究两种溢流坝体形的消能效果、压强场和速度场等.结果表明,台阶式溢流坝的消能主要集中在台阶上,相对于光滑溢洪道,因其减小对下游的冲刷而降低了工程投资.     

高海拔地区台阶式溢洪道水力特性研究

为了探究高海拔地区台阶式溢洪道水力特性,对坝顶位于海拔 2 586.0 m,斜坡角度 θ=32° 的某大坝台阶式溢洪道进行了模型试验。通过改变来流流量,研究了 3 种不同工况下溢洪道台阶竖直面及水平面时均压强、水面线、流速、脉动压强等水力特性。结果表明:在 3 种试验工况下,台阶式溢洪道不仅具有较高消能率,而且不会发生空化空蚀破坏;溢洪道竖直面及水平面压力沿程为跳跃式分布;水深及流速在台阶溢洪道上达到某一值后,基本稳定。该结果可为高海拔地区的台阶式溢洪道优化设计提供参考依据。     

THREE-DIMENSIONAL TURBULENCE NUMERICAL SIMULATION OF A STEPPED SPILLWAY OVERFLOW

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅｐｐｅｄｓｐｉｌｌｗａｙｈａｓｈａｄａｌｏｎｇｈｉｓｔｏｒｙ .Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｓｔｅｐｐｅｄｓｐｉｌｌｗａｙｈａｓｂｅｅｎ ｐｅｒｆｏｒｍ     

尾坎位置对坎式阶梯溢洪道水力特性影响研究

〗坎式阶梯溢洪道具有较高的掺气效率,然而目前为止对其详细流场结构以及消能特性开展的研究尚不多见。为此结合VOF法,采用标准k-ε紊流模型对带尾坎的阶梯溢洪道进行了三维数值模拟,研究了不同尾坎位置对其水力特性的影响。结果表明：随着尾坎向上游移动,水面线和尾坎下游侧的旋涡大小均无明显变化,但尾坎上游侧的旋涡尺度逐渐减小;对于不同体型,同一台阶凸角上流速呈先增加后不变的规律,而对于同一体型,下游台阶凸角上流速大于上游的;台阶水平面上最大压强先增加后不变,台阶竖直面上最小压强逐渐减小,而尾坎下游侧竖直面上最小压强则呈增加的趋势;台阶面上最大紊动能耗散率逐渐增加,而尾坎上的则相反,总的消能率变化甚微。     

小石峡水电站溢洪道消力池结构优化的三维数值模拟

以新疆小石峡水电站为例,采用FLUENT软件、RNGk-ε紊流模型及VOF方法相结合处理了自由水面,并对溢洪道的流场进行了三维数值模拟,得到了优化溢洪道在设计流量1 856.2 m3/s时的泄流流态,并将消力池段自由水面线、底板压强、断面流速与模型试验结果进行了比较,结果表明数值模拟结果与模型试验结果吻合较好。