龙抬头明流泄洪洞反弧段下游边墙防蚀探讨

大比尺的模型试验表明：龙抬头明流泄洪洞反孤末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低，容易出现空化；同时，反孤段下游水流表面自掺气尚不够充分，底部强迫掺气尚未充分扩散，致使反孤段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区，从而容易导致反孤段下游边墙的空蚀破坏．最后对如何减小或消除该掺气盲区，提出了工程处理措施，可供设计参考．     

平底泄洪洞掺气设施体型研究

掺气减蚀是减免泄水建筑物空化空蚀的常用方法,但对于一些小底坡泄洪洞,如果采用常规的掺气设施结构,掺气空腔往往会被淹没,使其失效反而成为空化源。小底坡泄洪洞的掺气设施体型设计一直是掺气减蚀研究的难题。文章针对平底泄洪洞的掺气减蚀,通过理论分析和1/30的大比尺模型试验,进行了四个方案的对比研究,提出了一种新型的挑坎下游加设贴坡的掺气设施,有效地抑制了空腔回水,获得了稳定的掺气空腔,并且通气量、气水比等掺气特性指标都有明显改善。     

泄洪洞反弧段下游侧墙掺气减蚀试验研究

龙抬头明流泄洪洞采用常规的底部掺气设施，容易在反弧末端下游附近侧墙处形成掺气盲区，从而导致该侧墙的空蚀破坏，反弧末端下游侧墙是龙抬头明流泄洪洞掺气减蚀设计的重点和难点。文中通过大比尺的模型试验，系统分析了侧墙贴角及边墙突扩两类反弧末端侧向掺气设施的水力掺气特性，试验表明，这两类侧向掺气设施均能有效消除反弧末端下游附近侧墙上的掺气盲区，达到减免侧墙空蚀的目的。     

龙抬头泄洪洞反弧段空化空蚀研究综述

根据国内外大量的工程实例,在前人研究的基础上,系统总结了龙抬头泄洪洞反弧段空化特性和空蚀成因,分析了反弧段掺气减蚀和抗蚀体型的现有成果.体型优化和掺气设施研究,数值试验具有花费少、适应能力强、提供的流场资料详细、便利方案选择等优点.     

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。     

Inverse problem of bottom slope design for aerator devices

Air entrainment is an effective approach to protect release works from cavitation damage. The traditional method of aera-tor device designs is that, for given flow conditions, the geometries of the aer...     

大型泄洪洞高速水流的研究进展及风险分析

高水头、大流量泄洪洞内高速水流问题主要问题之一是水流空化引起过流表面空蚀。几个实际工程泄洪洞发生空蚀破坏的实例表明反弧段下游一定范围是容易发生空化空蚀的敏感部位，其主要原因是由于反弧段内的水流流速高，流态复杂，在水流离心力的作用下沿程压力梯度大，水流掺气条件差，缺乏有效的掺气保护。掺气减蚀是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施，对水流进行三维掺气的减蚀技术有了较大进展。“龙落尾”式和 “龙抬头”式是高水头、大流量泄洪洞的两种常用布置型式，风险分析认为“龙落尾”式泄洪洞布置对地形地质的适应性更好，即使发生事故对大坝的安全威胁小，也更具有抗风险的能力。     

龙抬头式泄洪洞反弧末端边墙掺气减蚀设施的研究

高水头龙抬头式明流泄洪洞发生空蚀的部位一般位于反弧末端下游边墙及底板上，因此研究该部位的掺气减蚀设施具有十分重要的应用价值。结合二滩水电站1号泄洪洞，研究了反弧段边墙掺气问题，基于掺气挑坎设计中应遵循的基本原则，提出了一种新型的斜侧收缩式掺气挑坎体形，并分析了影响侧收缩掺气挑坎挟气量及挑坎下游水流流态的因素。     

泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究

对高水头、大单宽流量、低佛氏数、小底坡长明流泄洪洞，在反弧段末端采用常规的掺气坎往往难以取得理想的掺气效果，同时，反弧段下游边墙易出现空蚀破坏。本文在大比尺模型试验的基础上，提出了竖向、纵向及横向三维均连续变化的新型掺气坎，并对比分析了掺气坎三维体型的变化对掺气特性的影响。试验表明，空间三维连续变动的V型坎能使挑射水流形成连续变化的空腔长度，较二维掺气坎在上述特点的泄洪洞中能形成稳定的空腔形态、减小空腔回水并提高挟气量。试验同时表明，泄洪洞反弧末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低，容易出现空化；同时，反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分，底部强迫掺气尚未充分扩散，致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区，从而容易导致反弧段下游边墙的空蚀破坏。     

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。     

锦屏一级水电站泄洪洞的掺气减蚀及消能防冲问题

锦屏一级水电站泄洪洞具有“大泄量、特高水头、超高流速”的特点,高速水流空化空蚀问题非常突出。为了解决其掺气减蚀、泄洪消能防冲及出口挑流河道归槽的问题,锦屏一级水电站在泄洪洞的龙落尾、掺气坎、补气洞及出口挑坎等关键部位采用了特定的工程技术。对这些特定工程技术的模型实验结果、原型观测资料及设计规范进行了分析,并结合乌江渡水电站、二滩水电站等工程评价了规范的适用性。分析结果表明锦屏一级泄洪洞的洞顶余幅、龙落尾体型、出口燕尾坎消能工等设计合理,掺气设施的掺气保护满足要求,补气及通气系统效果良好,没有发生空化空蚀现象。同时,在掺气空腔长度、风速、补气量、泄洪雾化等方面的模型缩尺效应明显,需要后续工程在设计阶段予以重视并进行更为深入而细致的研究。     

三维异形掺气坎体形压力及空化特性研究

采用数值模拟的方法,对明流泄洪洞典型三维异型掺气坎(U型、V型和凸型掺气坎)进行了模拟,分析研究得出,V型坎和凸型坎与U型坎特性相比,压力具有一定的相似性,体形结构具有更好的连续性;不同掺气坎体形的最小压力分布均发生在坎末端,其主要原因是受空腔压力特性的影响,压力出现过渡特性,该区为空化敏感区。采用压力场与变密度方程相结合的紊流数值模拟,给出了三维异型掺气坎的空化发生和发展的范围;受空腔压力特性的影响,空化初生均发生在掺气坎末端,与其压力特性一致,每个掺气坎凹型部位是空化发生的敏感区。     

THE WALL EFFECT ON VENTILATED CAVITATING FLOWS IN CLOSED CAVITATION TUNNELS

For ventilated cavitating flows in a closed water tunnel, the wall effect may exert an important influence on cavity shape and hydrodynamics, An isotropic mixture multiphase model was established to study the wall effect based on the RANS equations, coupled with a natural cavitation model and the RNG k-ε turbulent model. The governing equations were discretized using the finite volume method and solved by the Gauss-Seidel linear equation solver on the basis of a segregation algorithm. The algebraic multigrid approach was carried through to accelerate the convergence of solution. The steady ventilated cavitating flows in water tunnels of different diameter were simulated for a conceptual underwater vehicle model which had a disk cavitator. It is found that the choked cavitation number derived is close to the approximate solution of natural cavitating flow for a 3-D disk. The critical ventilation rate falls with decreasing diameter of the water tunnel. However, the cavity size and drag coeflicient are rising with the decrease in tunnel diameter for the same ventilation rate, and the cavity size will be much different in water tunnels of different diameter even for the same ventilated cavitation number.     

高水头岸边式溢洪道泄槽段水力特性研究

为了保证高水头溢洪道上泄槽段的水流平顺进入下泄槽段以及下泄槽段减免空蚀破坏,同时提高渥奇曲线段底部的水流空化数和避免负压;在变坡处采用了渥奇曲线和下切直线段相结合,其后接掺气坎的形式。针对下泄槽陡坡段容易出现水翅现象,提出了在两侧墙增设一段与泄槽底板成一定夹角的消翅悬梁,从而有效地抑制了水翅的发展,稳定了泄槽流态,且悬梁发生空蚀破坏的可能较小。该体形布置形式对类似工程有一定的参考价值。     

Cavity filling water control below aerator devices

With the rapid development of high dam projects within China, the dragon-drop-tail spillway tunnel is introduced and widely used. In view of the high water head and the large flow velocity on the dragon-drop-tail section, aerator devices are usually placed for the cavitation damage control. For the device placed in its initial position, it is a serious concern to design a suitable flow regime of the cavity and to control the cavity filling water due to the large flow depth and the low Froude number through this aerator. In this study, the relationships between the geometries of the aerator device and the jet impact angle of the lower trajectory of the flow are theoretically analyzed with/without a local slope. Nine test cases with different geometries are designed, the effectiveness of the filling water control is experimentally investigated under different operation conditions, and two criteria of the local slope design are proposed. It is concluded that the cavity flow regime and the filling water can be improved if a small impact angle and some suitable geometries of the local slope are designed.     

HYDRAULIC RESEARCH OF AERATORS ON TUNNEL SPILLWAYS

The selection of the configuration and size of an aerator was of importance for a tunnel spillway under the conditions of high speed flows. Experimental investigations were conducted on the effects of entrained air on the tunnel spillway in the Goupitan Project, based on the criterion of gravity similarity and the condition of aerated flow velocity of over 6 m/s, with physical models. The configurations of the aerators were presented of a larger bottom air concentration, to protect the tunnel spillway from cavitation as well as to see no water fills in the grooves.     

吉音水利枢纽竖井旋流泄洪洞水力特性试验研究

通过1∶30的水工模型对吉音水利枢纽竖井旋流泄洪洞的水流流态、压力分布、流量系数等水力特性进行了研究,分析了在进水口溢流堰末端增设掺气坎对进水口及竖井内流态及通气孔风速的影响。研究结果表明:在溢流堰末端增设掺气跌坎有利于减小溢流堰面的负压、防止空蚀破坏、简化进口体型设计,且有利于泄洪洞的安全运行。     

导流洞采用“龙翘尾式”改建为泄洪洞技术的探讨

介绍一种导流洞采用＂龙翘尾式＂改建为泄洪洞的技术,即在导流洞尾部设竖井段、水平转弯段和下游消能段。该技术要求导流洞按照运行工况一次建成有压圆形,这样洞内高速水流带来的气蚀问题基本不存在。经过竖井段后,上游水位与出口底板水头差降低,水力学、闸门受力等结构问题的处理难度均相应降低。下游消能工即使存在气蚀,由于在洞外检修条件好,问题也容易解决。     

水布垭水利枢纽放空洞水力学试验研究

水布垭枢纽放空洞主要承担水布垭工程施工期后期导流及完建后大坝检修时放空水库的任务.它具有水头高、流速大、运行时间长、水位变幅大等特点.借助系列水工模型试验对水布垭放空洞的泄流能力、压力特性及关键部位的空化特性、闸门启闭力、出口鼻坎消能工体型及下游冲刷等进行了较深入的研究、分析.提出了一种新型消能工--双曲差动异型鼻坎,该鼻坎有良好的消能效果.在工作闸门区突扩跌坎处,选择合适的体型及通气设施并严格控制表面不平整度,可达到防止或减小空化的目的.     

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。