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.     

跌坎型掺气槽过流的掺气特性

本文在分析实测资料的基础上，探讨了无挑角跌坎型掺气槽空腔区水舌的掺气特性，并重点研究了射流水舌的掺气超始流速，掺气层厚度，断面浓度分布以及通气量等参数的理论预测。     

低Fr数流动跌坎掺气槽的水力及掺气特性

通过模型试验和理论分析，研究了低Fr数(Fr<7)流动情况下空腔积水对跌坎掺气设施水力及掺气特性的影响。建立了计算跌坎掺气设施水力及掺气特性的预测数学模型。给出了射流出射角的修正式；积水尺寸的计算式；掺气设施实际运行工况(空腔长度、空腔负压、掺气量等)的预估方法。研究表明，低Fr数流动情况下，由于重力作用显著，积水对水力及掺气特性均有显著影响。     

高水头泄水建筑物掺气坎体型研究

对具有高水头、大单宽流量的泄洪建筑物,工程中通常采用强迫掺气减蚀措施防止壁面发生空蚀破坏。本文主要通过物理模型试验研究方法,对高水头龙抬头明流泄洪洞反弧段下游底板和侧墙掺气减蚀进行了研究,提出了一种底部突跌凸型坎和侧墙加贴角联合掺气的新型掺气坎,解决了洞顶余幅、底空腔内回水和突缩引起掺气坎后形成水翅之间的问题。采用这种新型的掺气坎体型后,底空腔内没有回水,同时消除了反弧段后侧墙出现的清水区;侧空腔畅通并直接和底空腔相连,对侧墙和底板都起到了很好的保护。该体型对类似工程的设计及修复具有一定参考价值。     

不同掺气孔径下水流空化特性试验研究

空化数反映了压力变化对水流空化特性的影响.该文基于浙江工业大学水力学实验室设计的直流式水洞,利用先进的量测设备对空化区中空化特性进行了试验研究.通过对不同流速不同掺气孔径下圆柱突体上下游空化数的对比分析,得出了不同掺气孔径下空化数的变化趋势有关的结论.该结论可供设计优化掺气设施时参考.     

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     

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。     

突扩跌坎掺气设施深化研究

高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题是高水头泄水建筑物运行所遇到的2大问题。为深入研究突扩跌坎掺气设施,进一步了解其水力特性和空化特性,以某水利枢纽孔板泄洪洞中闸室通气系统和突扩跌坎掺气设施为具体研究对象,通过建立比尺 1∶20 的局部水工模型,分析研究了通气孔风速、流态、压力、掺气浓度等水力特征参数,并将试验结果与原型观测结果进行了对比。结果表明:该工程布置的掺气效果良好,试验所得通气管内风速随闸门开度变化的趋势、水流掺气浓度、压力及其脉动在数值上与原型观测结果均一致,说明工程原型观测与模型试验对比验证是成功的。理论研究和实际运用均表明,结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置,是符合实际需求且安全可行的,同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施,具有广泛的推广应用价值。     

白莲崖水库泄洪隧洞掺气坎布置试验研究

在高水头泄洪建筑物设计中,由于过流建筑物体形不合理、表面不平整或脉动压力影响,水流可能产生空化,对建筑物造成空蚀破坏。如何避免空蚀破坏是难点之一。本文介绍了通过大比尺模型进行白莲崖水库泄洪隧洞掺气坎布置研究的主要研究内容,提供了掺气坎设计方案的试验成果,可供类似工程设计参考。     

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.     

判别泄洪洞反弧段发生空蚀的水力特性标准

 搜集了国内外已建工程龙抬头式泄洪洞的运用情况共22例， 对其中一些工程发生空蚀破坏的原因、条件进行了综合分析。提出可以用泄洪洞作用水头、反弧末端平均流速及反弧段水流空化数等3项水力特性的界限值， 作为判别龙抬头式泄洪洞反弧段是否会发生空蚀的水力特性标准。     

高海拔地区气压环境对高速水流空化特性的影响

为定量评价高海拔地区的低气压环境对水流空化特性的影响程度,通过理论计算单气核临界压强在不同气压条件下的变化,分析单气核临界压强变化对初生空化数的影响程度,并进行不同海拔高程下水流空化数的敏感性分析。研究成果表明:低气压环境下,气核初生空化数和水流空化数均减小,但水流空化数减小的程度远远大于初生空化数减小的程度,其他条件相同的前提下,高海拔地区的高速水流空化空蚀风险增大。研究结论可为高海拔地区高速水流的空化空蚀设计和评价提供参考。     

渐扩式泄洪洞出口水流模拟及空化 特性预测研究

为了获得泄洪洞出口段在高速水流情况下的水流特征,分析空化及其对结构可能存在的空蚀破坏影响,本文采用了VOF（Volume Of Fluid）方法,并结合Realizable k-ε紊流模型,对泄洪洞水流进行了三维数值计算。计算获得了压强、流速及水深的三维分布参数,并将部分计算结果与设计值验证,吻合较好。通过引入自定义函数方式计算了整个流场的空化数,获得了泄洪情况下泄洪洞高速水流空化数分布规律及易发生空化空蚀的区域。     

明流泄洪洞水力特性的二维数值模拟与试验研究

为了使明流泄洪洞满足设计泄流量和校核泄流量要求,对其结构进行了优化设计,并根据垣曲县境内板涧河河口右岸的小浪底引黄工程泄洪洞实际工程,建立了明流泄洪洞泄流数学模型。计算中引入FLUENT软件中的VOF(Volume of Fluid)模型和Mixture模型进行数值计算,得到了设计和校核水位条件下泄洪洞泄流能力、水深沿程分布、水流空化数以及断面流速和压强及挑距,并将部分计算结果与模型试验结果进行比较分析,结果表明两者吻合较好。因此采用FLUENT软件研究明流龙抬头泄洪洞的水力特性是可行的,为该项软件应用于实际工程提供了理论依据。     

泄洪洞中闸室出口侧墙掺气体型研究

为消除中闸室出口侧墙上的掺气盲区并且改善水流流态,该文提出了突扩-渐扩侧掺气体型。采用RNG k-ε紊流模型对此掺气体型进行数值模拟,获得了侧墙上水流流态、压力分布以及水翅强度等水力特性。利用物理模型试验对计算结果进行验证,计算结果具有可靠性。结果表明:出闸水流弗劳德数一定时,侧墙突扩宽度和渐扩长度是影响水翅强度的主要因素,突扩宽度越大或渐扩长度越短,水翅强度越大;侧墙压力中心主要是由出闸水流冲击泄洪洞底板造成的;此掺气体型能形成稳定侧空腔并且侧墙上无负压产生,能够有效避免空化空蚀。     

溢洪道底板空蚀发生位置及抗空蚀措施分析

以肯斯瓦特水利枢纽工程为例,通过水工模型试验,测试其设计水位工况下和泄洪消能标准水位工况下溢洪道泄洪时底板的流速及压力分布,并根据空化理论模型对其底板沿程空化数进行了计算。结果表明:可以通过溢洪道流速特性和底板压力分布来分析过流面的空化空蚀特点;在实际工程中,可采用优化过流面的体形、设置掺气减蚀设施、控制溢流面的不平整度以及使用抗空蚀材料等方法来防止空化和空蚀的发生。     

脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响

本文对六种不平整突体在正负压力梯度状况下的初生空化数进行了试验研究和理论分析，并根据气泡动力学方程建立了脉动压力与气泡振荡半径之间的关系，讨论了脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响，试验结果表明，同一突体在负压力梯度状况下的初生空化数高于正压力梯度状况下的初生空化数；对于非流线型突体，在负压力梯度状况下空化初生时的壁面脉动压力强度低于正压力梯度状况下的脉动压力强度，脉动压力峰值约为七至十二倍的脉动压力均方根值。     

水利枢纽溢洪道掺气坎槽体型研究

结合糯扎渡水利枢纽溢洪道掺气减蚀模型试验研究，根据试验资料，利用回归分析，拟合出关系曲线，建立了坎高与水深、流速、溢洪道底坡、挑坎挑角关系的经验公式，并通过已建成的工程实例来验证公式的实用性．该公式对掺气坎槽选型提供了依据，可供设计与模型试验阶段参考。     

低数、小底坡泄洪洞掺气设施研究

泄洪洞具有高流速、低Fr数和小底坡的特点,掺气空腔容易产生回水,布置掺气设施的难度较大。采用模型试验和理论分析相结合的方法对泄洪洞掺气设施进行研究。通过比较掺气挑坎高度、坡度、坎后底坡及衔接形式,分析这些特征参数对空腔回水、通气量及流态的影响,拟合了空腔无回水的临界Fr数与挑坎高度的关系式,总结了掺气设施体形优化方法,研究成果已被实际工程所采用。