掺气分流墩阶梯溢流坝面水力特性试验研究

对有掺气分流墩和无掺气分流墩的阶梯溢流坝面流场进行了对比试验研究。通过对压力、掺气浓度和消能效果等的分析和讨论，得出了掺气分流墩的增设将消除或降低阶梯凹角内和立面上的负压，显著增加了坝面水流的掺气量和掺气范围并提高了阶梯坝面消能率等重要结论。本研究为在大单宽流量下如何提高阶梯式溢流坝的消能率和防止空蚀破坏等方面进行了探索。     

过渡阶梯台阶尺寸对一体化联合消能工坝面掺气及负压特性的影响研究

基于阿海水电站一体化联合消能工,采用三维数值模拟探讨过渡阶梯不同台阶尺寸对一体化联合消能工坝面掺气及负压特性的影响。结果表明,随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,阶梯坝面掺气空腔长度、掺气空腔面积和沿程掺气浓度逐渐增大;坝面最小掺气空腔不在水舌对称中心剖面,而在每股对冲水流的中心剖面处产生。当过渡阶梯台阶尺寸较小时,负压等值线分布在过渡阶梯的前几级台阶,随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,负压等值线均分布在过渡阶梯的首级台阶内;首级台阶竖直壁面上边缘水气掺混区压强变化梯度最大;增大或减小过渡阶梯台阶尺寸,均有助于减小阶梯溢流坝面负压。故适当增大过渡阶梯台阶尺寸,既有助于提高坝面掺气效果,又可以减小坝面负压从而有效避免空蚀空化破坏。     

前置掺气坎高度对阶梯溢流坝水力特性的影响

将掺气坎设置于阶梯溢流坝闸墩出口处,有利于阶梯掺气,避免阶梯空蚀空化。通过1∶25模型试验,在宽尾墩阶梯溢流坝上设置不同体形的前置掺气坎,研究了掺气坎高度变化对坎后有效空腔长度、空腔最大高度、下游坝面掺气浓度沿程分布、水舌冲击力大小的影响,并与未设掺气坎体形时对应的水力学参数进行了对比分析。结果表明:与未设掺气坎相比,增设掺气坎后阶梯沿程掺气浓度增长明显;有效空腔长度随坎高的增大而增大,空腔最大高度随坎高的增加无明显变化;随着坎高增加,水舌冲击力相应增加,对于53°的溢流坝面,坎高超过1.2 m后,水舌冲击压强将大于20×9.8 kPa。     

阶梯溢流坝自掺气水流的数值模拟

从两相流基本方程出发，建立了适用于自掺气水流的数学模型，用明渠自掺气水流进行验证。应用此数学模型模拟计算了阶梯溢流坝面水气两相流的流速场、初始掺气点及消能率等参数，得出了初始掺气点的位置随流量的增加而下移，消能率随流量的增加而减小的结论。     

大坡度阶梯溢流坝掺气水流水深数值模拟研究

大坡度阶梯溢流坝在实际工程中有着非常广泛地使用。由于水流掺气,使得水流运动性质通常与坝型有很大的变化,会对水利工程造成许多有利与不利的影响。研究掺气水流的水深,对解决实际工程问题有着很重要的使用价值。但是掺气水流现象的生成原因非常复杂,研究内容较多,通过运用FLOW-3D软件,从纳维-斯托克斯方程出发,通过将模型分割成许多细小的网格,对每个网格的方程进行联立得出模型的具体水流状态情况。通过数值模拟建立阶梯溢流坝模型,设计坡度为40°、51.3°、60°和70°来进行研究。试验得出随着坡度增加,坝始端到掺气发生点的距离逐渐增长,掺气稳定时的水深逐渐降低。     

前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响

将掺气坎布置在宽尾墩出口和阶梯溢流坝首级台阶的中间位置,能有效减小高坝泄水建筑物在高速水流作用下发生空蚀和冲刷破坏的概率。利用水气两相流模型并联合RNG k-ε模型,模拟计算不同前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气浓度和消能特性的影响,前置掺气坎角度依次取8°,10°和11.3°。其中模型采用VOF方法对自由水面进行处理,利用几何重建方式对水气面附近进行插值,采用PISO算法和非定常流算法进行计算。模拟计算结果表明,在不同前置掺气坎角度下,阶梯面平均掺气浓度沿程变化趋势为总体减小并在后几级台阶处保持不变;在靠近掺气空腔后的台阶处,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先减后增,而沿阶梯面垂直近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先增后减,且同一断面的掺气浓度随前置掺气坎角度的增加而逐渐增加;在靠近反弧段的阶梯上,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐增大,而沿阶梯面垂直近壁面凸角到凹角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐减小,随着前置掺气坎角度的增加,同一断面掺气浓度随着增大,且泄水建筑物消能率随之增大。     

乐昌峡水电站溢流坝掺气减蚀研究

乐昌峡水电站溢流坝属高水头、大流量泄水建筑物。通过水力模型试验研究,对乐昌峡水电站溢流坝溢流堰面曲线、掺气坎等进行了优化,改善了其运行水力特性和掺气减蚀效果。     

掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气空腔的影响

在宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工中利用前置掺气坎连接WES曲面与阶梯溢流坝,能有效增加阶梯面掺气,避免阶梯遭受空化空蚀破坏。主要引用水气两相流VOF方法的RNG k-ε模型,采用几何重建方式对水气面附近进行插值以及利用PISO算法和非定常流算法进行数值模拟,模拟前置掺气坎角度8°,10°和11.3°时阶梯溢流坝上坎后掺气空腔长度及阶梯面压力分布,模拟范围从库区至消力池尾部。为验证模拟计算的可靠性,对阶梯溢流坝坎后掺气空腔进行模型试验,通过坎后空腔长度模拟值与实测值的对比分析,发现两者吻合较好,最大偏差为7.9%。模拟结果表明,掺气空腔长度随前置掺气坎角度的增加而增加,阶梯近壁面最大负压绝对值及压力随前置掺气坎角度的增加而增加且负压分布范围逐渐扩大。     

溢流坝坝面掺气初生点的数值模拟

采用零方程模型对溢流坝上紊流边界层进行数值模拟,引入流函数Ψ将紊流边界层方程组化为常微分方程.用box method对方程进行数值离散,模拟溢流坝紊流边界层的发展.将数值模拟结果与试验结果进行了对比,理论计算与实际观测尚吻合.运用此模型对掺气初生点位置进行了预测,预测出掺气初生点的位置.     

圆弧堰式阶梯溢流坝掺气发生点数值模拟研究

溢洪道是水利工程泄水建筑物的重要组成部分,将泄槽设计为阶梯状,可以有效增加水流的紊动,造成流动掺气剧烈,增加沿程能量的消耗。针对阶梯溢洪道的结构形式,其堰顶的形状及尺寸大小,对其掺气特性起到很大的影响。运用FLOW-3D软件,对圆弧堰式阶梯溢流坝水流的掺气特性进行数值模拟。结果表明,当圆弧半径相同时,堰上水头越大,圆弧堰式阶梯溢洪道掺气发生点到堰顶的距离越大,掺气水流水深越大,消能率越低。当堰上水头一定时,堰顶圆弧半径越大,圆弧堰式阶梯溢洪道掺气发生点到堰顶的距离越小,消能率越小,掺气水流水深越大。     

水跃掺气池的掺气特性

针对大单宽流量下传统阶梯溢洪道因流动水深增加,掺气不足,导致极易发生空蚀破坏和消能率降低的问题,提出了一种通过水跃掺气池对阶梯溢洪道流动提供掺气的水跃掺气阶梯溢洪道,采用物理模型试验方法,详细研究了水跃掺气池的掺气特性,包括来流条件、掺气池长度、掺气池尾坎高度、水跃流态对掺气特性的影响。结果表明:在现在的研究范围内,在掺气池内和掺气池尾坎后的区域,无论是底板还是边墙淹没水跃流态都有较好的掺气效果;前述流动参数和结构参数通过影响水跃流态影响掺气效果,在利用水跃掺气池对阶梯溢洪道水流掺气时,流态的控制是重要的。     

台阶溢流坝过流掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀问题进行了分析研究。结果表明,利用表孔宽尾墩+台阶面的过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题,台阶面水流近底掺气浓度最小在5%以上。高坝试验结果还表明,坝高增加20 m,台阶面水流掺气浓度沿程分布规律不变,即该掺气减蚀方法应用范围可推广至坝高131.0 m的台阶溢流坝。     

Inception point of air entrainment over stepped spillways

The location of the inception point of the air entrainment directly affects the energy dissipation ratio, the cavitation damage control, and the training wall height designs for a stepped spillway and a stilling basin. In this paper, the boundary layer theory of plates is used to predict the location of the inception point of the air entrainment over the stepped spillways by assuming the steps on the spillways as a kind of roughness. An empirical formula is presented based on the physical model experiments, with the maximum error less than 1% except at one point where the error is 1.6%, as compared to the experimental data. Meanwhile, it is shown that the location of the inception point of the air entrainment for the stepped spillway is much nearer to the top of the spillway than that for a smooth spillways, which explains why the high ratio of the energy dissipation is provided for the stepped spillway.     

台阶式溢洪道滑掠流时均压强影响因素分析

由于台阶式溢洪道结构特殊,流态复杂,对台阶式溢洪道压强并未取得一致性的研究成果。对多个台阶式溢洪道滑掠流时均压强资料进行分析,探讨来流流量、掺气、台阶尺寸、溢洪道坡度等对台阶式溢洪道时均压强的影响。分析结果表明单宽流量大,时均压强变大;掺气可有效降低正压时均压力并增加负压值;台阶尺寸对台阶式溢洪道的影响较为复杂,台阶尺寸较小,且坡度较缓时竖直面压强呈中间小、两头大分布,坡度较大时具有2个压力极小值,位于竖直面底部和顶部,台阶尺寸较大时竖直面压强自下而上呈减小趋势;坡度增加,台阶式溢洪道压强变化幅度增大。     

阶梯式消能工与掺气墩在工程中的联合运用

为使溢洪道具有较好的泄流条件,提高消能效率同时节省投资,提出了阶梯式溢洪道与掺气墩相结合的联合消能方式。以某水库溢洪道改造工程为例,对溢洪道的阶梯尺寸、掺气墩的结构及布置型式进行了探讨,最终泄槽段采用了1 m的阶梯形式与前倾30°的圆柱形掺气墩相结合的联合消能方式。试验结果表明,阶梯式消能工和掺气墩联合运用消能效果优异,水流条件明显改善。     

溢洪道阶梯陡槽段水面掺气位置试验与计算探讨

外凸型阶梯式消能工是应用于溢洪道陡槽段上的一种新型的辅助消能工。目前溢洪道陡槽段外凸型阶梯式消能工已在水利工程中得到了应用,但对此类型阶梯式消能工水力特性的研究成果仍较少。本文在5种坡度比和不同阶梯体型(包括阶梯高度、阶梯间距等参数)的阶梯陡槽溢洪道水力模型试验研究的基础上,对溢洪道阶梯陡槽段水力特性进行研究探讨,分析了陡槽段坡度比、阶梯跌坎体型参数等对溢洪道陡槽段泄流流态的影响,并将阶梯陡槽段泄流分为光滑水流区和掺气水流区两部分,提出了外凸型阶梯陡槽段水面掺气断面位置和水深的计算公式。本文研究成果可为溢洪道阶梯陡槽段沿程水面线和消能计算提供参考。     

苗家坝水电站溢洪洞掺气设施的试验研究

针对溢洪洞掺气槽的位置、体型以及渐变段的体型进行了5个大方案的试验研究和论证分析,提出的推荐方案具有流态好、便于施工、空腔水舌稳定、掺气槽内无积水及掺气浓度较大等优点,解决了溢洪洞的掺气问题,满足了设计要求.     

反弧阶梯溢洪道水力特性

为提高大单宽流量阶梯溢洪道消能率和增加掺气,提出一种新型反弧阶梯溢洪道,即将传统直角阶梯的水平面改为反弧面。通过物理模型试验,对反弧形阶梯的流态、掺气发生位置和消能率进行了研究。结果表明,在试验条件范围内,反弧阶梯流态可分为跌落流、挑射流、过渡流、滑行流4 种,在单个阶梯长度和高度相同时,反弧阶梯掺气发生位置是直角阶梯的0. 5 ~0. 8 倍,反弧阶梯消能率比直角阶梯最大增加约9%。