旋流阻塞复合式泄洪洞的水力特性(2)

 通过模型试验对旋流阻塞复合式泄洪洞的压力、旋流角和空腔直径等水力特性进行了研究。设置阻塞后,起旋器与阻塞之间的水平洞段正压力明显增加与均化,沿程压力变化减小;由于离心力与旋流的作用,阻塞出口之后是完全掺混的水气两相流,阻塞后流速降低,空化的可能性减小,旋流洞段的范围极大地缩短;空腔直径减小,通风量需求减小。因此可利用水平旋流内消能泄洪洞的阻塞效应,进一步改善导流洞改建时的结构设计与防护措施。     

水平旋流泄洪洞的基本流态与影响因素

通过模型试验,对上下游水位、通气孔直径、水平洞洞长和起旋器收缩断面面积比对水平旋流泄洪洞的流态的影响进行了研究。结果表明,在竖井为有压流的条件下,水平旋流泄洪洞的流态可分为自由流、吸吮流和淹没流3种基本流态,流态的分类与转变受各种因素的影响;通气时,水平旋流洞内旋流的空腔直径大而均匀,水流旋转的强度增大;不同的洞长,流态从吸吮流向淹没流转变时过渡区的相对上下游水位差相同,但洞长越大,吸吮流的范围越大,转变为自由流流态时所需要的起旋器出口的水流弗劳德数也越大;起旋器出口面积比不同时,流态分区的临界水力条件是不同的。     

大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞阻塞扩散段试验研究

以两河口水电站3#导流洞改建为复合式大坡降水平旋流内消能泄洪洞为例,对大坡降水平旋流洞末端和导流洞之间的衔接方式进行了试验研究。提出了阻塞渐扩和阻塞突扩两种不同的衔接方式,并对两种旋流扩散体型局部流态及壁面压强、断面掺气浓度、旋流扩散轨迹等水力特性进行了量测与分析,得到各体型旋流扩散段流态及各项水力特性随上游水位变化的基本规律。     

大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞阻塞扩散段试验研究

以两河口水电站3#导流洞改建为复合式大坡降水平旋流内消能泄洪洞为例,对大坡降水平旋流洞末端和导流洞之间的衔接方式进行了试验研究。提出了阻塞渐扩和阻塞突扩两种不同的衔接方式,并对两种旋流扩散体型局部流态及壁面压强、断面掺气浓度、旋流扩散轨迹等水力特性进行了量测与分析,得到各体型旋流扩散段流态及各项水力特性随上游水位变化的基本规律。     

枢纽不同泄流方式的水流恢复距离研究

计算水流的恢复距离,可以分析下游引航道口门区的通航水流条件是否受到了上游电站在不同泄流工况下的影响,进而可为电站的调度运行提供参考。以景洪电站为研究背景,分析了发电、控泄发电及敞泄停机这3种工况下的水流沿程分布情况,并与无坝全断面泄流工况的水流沿程分布情况进行比较,提出了水流恢复距离的概念,计算了不同工况下的水流恢复距离。结果表明,两侧泄流的恢复距离均大于中段泄流的恢复距离,泄流宽度所占的比例越大,恢复距离越短,泄流流量越大,恢复距离越长。通过对全断面泄流工况和极限泄流工况在引航道口门区水流条件的对比可知,当水流恢复距离大于引航道的长度时,相对应的泄流工况会造成引航道口门区水流条件明显的变化,此时需要考虑电站泄流对下游通航的影响。     

高海拔因素对大型泄洪洞水力特性及通风补气影响数值模拟研究

为了保证泄洪安全，大型泄洪洞通常设置掺气减蚀设施和通风补气系统。随着海拔高度增加，大气压、大气密度将会显著降低，这些变化可能会对泄洪洞水流流态和通风补气造成不利影响。在考虑高海拔因素的前提下，采用RNGk-ε紊流模型和Mixture多相流模型对某大型泄洪洞的水气两相流场进行了数值模拟。研究发现：随着海拔高度增加，泄洪洞内的水流运动特性不受影响，但水流空化数显著减小，增加了空化空蚀风险；通风补气系统内的气流体积流量基本维持恒定，但质量流量会因为大气密度的减小而减小。在高海拔地区建设大型泄洪洞，建议按水流空化数设计掺气设施，并适当放大补气通道的尺寸以控制风速，以免产生有害噪声。     

基于RNG k-ε紊流模型的溢洪道水力特性数值模拟

为分析溢洪道的水力学特性,基于VOF法和RNG k-ε两方程紊流模型,根据溢洪道的布置方案,对不同水位工况下溢洪道的水力学问题进行数值模拟研究,分析溢洪道的水流流态、泄流能力、水面线、挑距和消能率。数值模拟结果表明：溢洪道水流流态平顺,无严重摆动和激荡现象;边墙设计高度均大于校核水深与安全加高之和;数值计算的泄流量较规定公式计算结果大;库水位越高挑距越大,消能率越高。     

弯道处溢流坝闸孔水流水力稳定性分析及优化

为研究弯道对溢流坝闸孔水流水力特性的影响,探求弯道处水流进入闸室运动状态的优化措施,以某水库弯道处溢流坝为例建立物理模型。通过对不同流量级下试验数据分析,探讨弯道处某水库溢流坝闸孔挑流对左右岸稳定性、闸孔泄流能力的影响,同时运用 Flow-3d 软件设置导墙措施进行优化数值模拟。结果表明：水流在闸室以螺旋式向下泄流,且在闸室及溢流面上左右碰撞和交汇,使得水流极其不稳定,对左右岸稳定影响极大且降低闸孔泄流能力,对相邻闸孔泄流量增大值的幅度有所减小,最大差值从 1.95 m3/s 降为 0.95 m3/s;设置导墙可以有效减缓弯道对闸孔挑流的水力稳定性的影响,提高闸孔水流泄流能力,为弯道处溢流坝建设提供理论参考。     

地面沉降对西河闸流态的影响

天津滨海平原区地面沉降十分严重,对这一区域的水闸产生多种影响,最为明显的是水闸挡水时水压荷载的加大,影响闸体稳定;其次是闸下水流的流态发生变化,容易形成下游河道冲刷。采用VOF(The Volume of Fluid)法,研究了地面沉降对西河闸闸下水流流态的影响。因地面沉降使闸前水深加大,造成闸下表层水流旋滚不够充分,消能效果变差;底层水流流速增加,水跃位置下移,急速水流跃出消力池。随着水闸泄流量的加大,这一影响表现得更为明显。     

小湾水电站大型导流洞改建泄洪洞研究

针对小湾水电站高水头、大流量的泄洪特点，通过大量的优化试验研究，将旋流竖井式泄洪洞技术应用于小湾水电站导流改建工程，并提出适合工程特点的体形布置形式，解决了下游高水位淹没泄洪洞出口的技术难题。研究表明，这种旋流竖井式泄洪的消能效率可达90％左右，涡室与竖井的水流流态比较平顺，压力分布分理，导流洞内水流速度低于20m/s，不失为高水头、大流量条件下导流洞改建为泄洪洞的有效方式之一。     

泄洪洞旋流阻塞消能的数值模拟

运用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型、Realizableκ-ε模型、标准κ-ω模型,并结合VOF法对公伯峡水电站右岸泄洪洞的水流进行数值模拟,利用原型观测资料对计算结果进行对比验证,结果表明RNGκ-ε模型的模拟结果与原型观测资料最为接近。在此基础上,把原泄洪洞的旋流洞及其后段简化为直洞并在直洞不同位置布置阻塞,然后应用RNGκ-ε模型对其内部水流进行数值模拟,通过比较消能率、沿程压力及流场空化数分布,得出阻塞最佳布置位置,并给出最佳位置下水流的湍流特性。     

不规则实体堰坝流场及应力场耦合分析

针对现有堰坝稳定计算方法存在模型概化简单,无法准确反映不规则堰坝的流场及应力分布的问题,基于有限元软件ANSYS Workbench,通过引入气液两相流来求解堰坝的表面流场和水压力,将流场计算结果耦合到结构力学分析中实现某不规则实体堰坝的应力及变形分析。计算结果表明,设计洪水位和常水位工况下堰坝压应力均满足地基承载力要求,且堰体内部未出现拉应力;堰坝整体变形分布合理,能很好地反映堰体与基础非连续性的变形情况。该方法可有效地解决堰坝三维形态复杂及表面压力分布不均所带来稳定分析困难,可为堰坝设计提供依据。     

Numerical simulation of self-similar thermal convection from a spinning cone in anisotropic porous medium

Self-similar steady natural convection thermal boundary layer flow from a rotating vertical cone to anisotropic Darcian porous medium is investigated theoretically and numerically. The transformed non-dimensional two-point boundary value problem is reduced to a system of coupled, highly nonlinear ordinary differential equations, which are solved subject to robust surface and free stream boundary conditions with the MAPLE 17 numerical quadrature software. Validation with earlier non-rotating studies is included, and also further verification of rotating solutions is achieved with a variational finite element method(FEM). The rotational(spin) parameter emerges as an inverse function of the Grashof number. The influence of this parameter, primary Darcy number, secondary Darcy number and Prandtl number on tangential velocity and swirl velocity, temperature and heat transfer rate are studied in detail. It is found that the dimensionless tangential velocity increases whilst the dimensionless swirl velocity and temperature decrease with the swirl Darcy number, tangential Darcy number and the rotational parameters. The model finds applications in chemical engineering filtration processing, liquid coating and spinning cone distillation columns.     

水布垭工程泄洪波浪对电站机组运行影响研究

清江水布垭水利枢纽是清江干流梯级开发最上一级水电枢纽工程。对电站尾水洞比较了直尾水洞和弯尾水洞两种布置形式。直尾水洞方案出口处水位波动较大,通过模拟计算、三维流仿真计算、水工模型试验,深入研究了泄洪波浪对机组和电网的稳定运行、机组出力和转速波动的影响,以及泄洪波浪引起的压力波动在尾水洞中的传递规律。     

竖井旋流泄洪洞涡室整流挑坎试验与数值模拟

已有竖井旋流的研究成果表明,涡室进口处水流的起旋对整个涡室流态的影响很大,如何使水流在进入涡室段时能稳定起旋,并贴壁形成稳定空腔,是决定整个竖井旋流消能效果的一个关键性因素。通过试验与数值模拟相结合的方法,研究了涡室进口处整流挑坎的体型对涡室流态的影响,提出了一种新的整流挑坎——楔形挑坎。试验表明,这种挑坎形式与传统圆弧挑坎相比能更好地引导涡室进口处水流的起旋,改善涡室内水流流态。对类似工程设计具有重要的参考价值。     

水平旋流泄洪洞原型和模型的脉动压力特性对比与分析

依据公伯峡水平旋流泄洪洞原型观测和反演模型试验的成果,对这种新型水平旋流内消能泄洪洞在闸门启闭过程中的脉动压力特性进行了对比与分析。研究表明环形掺气坎上游竖井段、起旋室内及水平旋流洞内压力随时间变化趋势原型和模型的基本一致,符合重力相似准则;受缩尺效应的影响,原型和模型环形掺气坎的空腔长度不同,压力差异较大;起旋室内的压力变化可分为四个阶段;原、模型相应测点的水流的优势频率均属低频,远小于建筑物的固有频率。