掺气减蚀设施水力计算的改进

结合小湾工程泄洪洞模型试验进行了11种挑跌坎型和6级流量的试验观测，据此提出了特别适用于大单流量条件的射流出射角修正式，提出了射流近底流速的选取原则.与实验资料对比证明本文计算方法有足够精度。     

掺气减蚀设施数值模拟研究探讨

采用标准κ-ε模型和VOF模型及欧拉模型对泄洪洞及掺气设施水力特性进行了三维数值模拟计算。主要计算了自由水面、掺气设施水力特性和空腔特性及坎后沿程渠底板中心线的掺气浓度。计算结果表明,VOF模型和欧拉模型可以在一定程度上模拟掺气设施水力特性和空腔形态等水力参数。总体而言,在对泄洪洞掺气设施的数值模拟方面,欧拉模型在一定程度上比VOF模型有更好的模拟精度。利用数值模拟可提高水利设计效率和节省费用,并为模型试验提供前期预测和指导,同时其结果可以作为模型试验补充和完善的依据,本文所采用的数值模拟方法及研究结果可供类似工程的研究参考。     

掺气减蚀技术及掺气设施研究进展

为优化掺气设施体型并对其水力特性进行研究,在已有理论研究成果与工程实践经验基础上,从水流掺气减蚀机理、掺气水流运动特性及掺气设施体型及布置三方面评述了水流掺气减蚀技术研究进展。针对目前掺气减蚀技术研究中存在的不足,认为今后应进一步加强多泡情况下空化泡-空气泡-边壁微观作用机制,近壁(底板、侧壁)水体掺气浓度、气泡特征的沿程演变规律,复杂条件下掺气设施体型优化等方面的研究。     

泄洪洞掺气减蚀设施空腔回水研究

泄洪洞内高速水流空化引起过流表面空蚀一直以来都是一个值得关注的问题,掺气减蚀是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施。以某水电站泄洪洞明流泄槽的掺气设施为例,从对掺气坎体型增加坎高、加设坎下平台、加设下游陡坡、圆弧形底板等多个角度进行了探索比较优化。研究成果表明:挑跌坎掺气槽后接圆弧底板布置形式,较好地解决了掺气坎下游水流反向漩滚和空腔回水的问题。这一成果为类似掺气设施的布置提供了参考。     

挑坎型掺气减蚀设施过流掺气特性研究

采用一维激光测速系统，对掺气减蚀工程中常用的直线型挑坎的流场特性进行试验研究．通过测量挑坎上及空腔区水流的流速分布及紊动特性，探讨通气量与紊动强度的关系．同时在深入研究流场特性和掺气机理的基础上，通过分析影响掺气的因素，从理论上探求临界掺气流速的计算，重点分析挑坎型掺气过流在空腔负压较大的情况下，临界掺气条件的理论预测，并通过试验资料验证了该计算方法．在此基础上，还进一步研究了掺气量的计算公式及其变化规律．     

较缓底坡上掺气减蚀设施的研究

在较缓底坡上设置掺气减蚀设施的最大难题就是掺气坎后的空腔回水问题.空腔回水不仅影响掺气设施的掺气效果,而且还可能堵塞进气通道,使掺气设施失效.对此,国内学者已进行过很多研究,提出了凹形坎、凸形坎、V形坎等各种三维掺气坎体型,可以有效地减少空腔回水,改善通气效果,但是并不能完全消除空腔回水.金川水电站泄洪洞原设计底坡0.03,通过模型试验,最终采用一种底板下弯式掺气设施,可以形成稳定的掺气空腔,并能完全消除空腔回水,可供同类工程参考.     

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。     

侧掺气空腔长度计算方法研究

掺气空腔长度是衡量掺气减蚀效果的核心水力指标。针对关于侧掺气空腔长度计算方法的研究成果偏少的现状,通过模型试验和量纲分析,对陡槽上不同坎高和坡度侧掺气坎的空腔特性和射流扩散特性开展了研究,分析侧掺气坎体型参数及来流水力学参数对侧空腔长度的影响,推导出侧空腔长度计算公式,并采用多组实验数据进行了验证。结果表明该公式能较准确地估算侧掺气空腔长度。     

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。     

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。     

挑坎下游高速掺气水流的数值模拟

应用FLUENT软件及其二次开发技术,采用双流体模型及混合k-ε湍流模型对带有掺气挑坎的陡槽高速掺气水流进行了二维数值模拟。根据掺气水流的特点,重点对相间阻力模型进行了改进,特别在构建相间阻力本构关系式时考虑了湍流扩散的影响。计算结果表明,在相间阻力模型中考虑湍流扩散的影响,可明显改善以往数值计算对水流掺气估算偏低的状况,使掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好,说明湍流扩散对掺气浓度的分布有重要作用。当采用双流体模型模拟掺气水流时,相间作用力模型应考虑湍流扩散的影响。     

泄槽底坡对掺气坎射流空腔积水的影响

通过作者建立的掺气坎射流曲线方程和掺气空腔积水方程,分析计算了泄槽底坡对跌坎型、挑坎型和挑跌坎型3种掺气坎掺气空腔积水的影响.计算结果表明,泄槽底坡对3种体型掺气坎掺气空腔积水的影响规律是一致的.随泄槽底坡增大,空腔积水减弱,最终消失;掺气坎后挑射水流与底板的冲击角随泄槽底坡增大而减小;不同体型掺气坎的临界冲击角是不一样的.研究成果可为掺气坎的设计提供参考.     

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.     

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。     

Fin characteristics of aerator devices with lateral deflectors

The fins will be formed if the lateral deflectors in the side-walls with a bottom aerator device are improperly designed, and the flow regime downstream of the aerator device will be worsened. In this paper, the height and the length of the fins induced by the lateral deflectors are theoretically analyzed along with their influencing factors, and the fin characteristics are experimentally investigated on the basis of the theoretical analysis. It is shown that the intensities of the fins are strongly dependent on the ratio of the lateral cavity length to the bottom cavity length, and other factors, like the working head, the height and the angle of the lateral deflector, the flow Froude number around the aerator device, affect the fins indirectly through the changes of the lateral cavity length. When an aerator device with lateral deflectors is designed, it is crucial to match the above mentioned ratio, and to make the ratio of the two cavity lengths less than 1.0 in order to avoid the generation of the fins.     

泄洪洞反弧段上游掺气坎对反弧段下游侧墙的减蚀作用

通过对龙抬头明流泄洪洞反弧末端下游易蚀原因的总结分析,指出在设计掺气坎时应重视反弧段下游附近边墙的掺气防护。通过大比尺模型试验,对能否通过增加反弧段上游掺气坎的掺气能力达到对反弧段下游侧墙的减蚀目的的问题进行了研究,试验表明:增加反弧段前掺气坎的掺气能力,虽然能在一定程度上改善反弧段下游边墙的掺气效果,并减小边墙清水区范围,但反弧段前掺气坎的掺气能力即使较大时,也难以完全消除边墙清水区,该措施难以可靠地解决反弧段下游边墙的空蚀问题。     

掺气槽上射流挟气量的数学模型

本文分析了掺气槽空腔区射流底缘气水界面上空气掺入水体过程的作用因素及受力情况，认为掺气是由于气水界面紊动涡体的脉动作用造成自由表面局部凹曲率超过临界值而发生的；建立了临界掺气流速和射流挟气量的理论表达式，它反映了影响射流掺气特性的各种因素及其相互关系，提出的射流挟气量公式得到部分原模型资料的验证，研究表明，射流挟气量受多种因素的影响，其中来流的紊动是影响掺气的重要因素，研究初步揭示出模型和原型通气     

掺气减蚀挑跌坎与水流紊动特性

本文应用二维激光测速装置测量孔口后明槽水流紊动特性（时均流速、纵向垂向脉动流速强度分布）及掺气减蚀挑跌坎对其产生的影响程度和范围。明槽水流趋于稳定断面的平均相对纵向脉动流速强度σ↑－ｘ／ｕ↑－ｘ为０．０７，相对垂向脉动流速强度σ↑－ｙ／ｕ↑－ｘ约０．０３４，与其他条件下的测量结果一致；掺气减蚀设施会使时均流速减小，而纵向脉动流速强度和垂向脉动流速强度则会明显增强。但掺气设施对水流紊动特性的影响是沿