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。     

低佛劳德数掺气坎空腔回水问题研究

为解决低佛劳德数缓坡泄洪洞掺气坎空腔易发生水流回溯,影响进气的问题,结合大渡河大岗山水电站泄洪洞,采用k-ε紊流模型对连续式掺气坎、连续式掺气坎加局部陡坡以及U型掺气坎加局部陡坡三种体型的掺气坎进行了数值模拟和物理模型试验,结果表明设置U型掺气坎可以有效地抑制水流回溯,稳定掺气空腔,消除空腔内积水,增大气水交界面积,提高掺气效率,而且具有体型简单等优点。     

缓坡条件下掺气减蚀设施的体型研究

结合小湾泄洪洞掺气减蚀设施优化研究，提出了“当量坎高”的概念与凹型掺气坎的布置构想，在相同“当量坎高”的前提下，通过1：60水工模型试验，对平面凹型、平面凸型、平面梯形、U型坎，以及直线型挑坎等掺气坎体型进行了对比试验研究，从掺气浓度、空腔特性及通气量等指标看，凹型掺气坎是一种较优的布置形式．从物理机制上看，平面凹型掺气坎因空腔内水气交界面积大，对提高空腔内的总通气量、改善掺气条件有利；另外，相对于其他异型掺气坎而言，凹形掺气坎在两侧边墙处空腔更为完整一些，这对提高边壁角隅区域水流的掺气能力，增进边墙的抗空蚀效果也有一定的助益．     

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.     

通气孔对掺气坎空腔长度影响的试验研究

掺气坎空腔长度是控制掺气减蚀效果的一个重要参数.影响掺气坎空腔长度的因素众多,其中一个是空腔内负压,而空腔内负压又与通气孔的面积有关.通过水槽试验,研究了不同流量、挑坎高度、挑坎坡度、水槽底坡等因素发生变化时,通气孔面积对空腔长度的影响.试验结果表明:通气孔大小对空腔长度的影响明显,在其他条件不变时,通气孔的面积越大,形成的空腔长度就越长,但当通气孔面积大于一定数值后,空腔长度将不再增加.因此在工程中,必须保证合适的通气孔面积,以形成良好的掺气空腔,有效地完成掺气减蚀.     

某溢洪道掺气方案优化研究

高水头、大流量的泄水建筑物中易发生空蚀破坏,结合西北某水电站溢洪道工程实例,通过单体水工模型试验,开展溢洪道掺气减蚀研究。试验结果表明:各洪水频率条件的溢洪道泄槽流速较大,水流空化数小于0.3,需要设置掺气减蚀设施。通过分析3种不同掺气设施的减蚀效果可知,挑坎式掺气能缓解空蚀,但下游伴有不同程度的溅水;凸型坎掺气能形成稳定的空腔,且下游无溅水发生;坎槽式可使泄槽内形成稳定的空腔和流态,且易施工,为最优掺气设施。在最优掺气设施中,掺气坎至鼻坎前端掺气浓度较高(0.9%～63.1%),掺气效果良好,达到了掺气减蚀目的。研究结果可为该工程后续消能防冲研究及类似工程的掺气减蚀研究提供理论指导与技术支撑。     

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.     

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。     

设掺气挑坎渥奇面流场数值模拟计算研究

采用了引入VOF法的κ～ε紊流模型方程对设掺气挑坎的渥奇面流场进行了数值模拟研究,共模拟了两种挑坎布设位置的方案.本模型采用有限体积法对控制方程进行离散,计算了挑流流场和掺气空腔,并通过与模型试验数据对比验证,证实该模型可较精确地模拟实际流场.分析表明:相同体型和水力条件下挑坎布于渥奇段下游优于上游,且流态稳定,下游掺气较佳,可较成功地解决渥奇段下接高速水流区的掺气减蚀问题,该数值模型结果对掺气挑坎设计选型及位置优化有指导意义.     

泄槽反弧段掺气坎的空腔特性

空腔特性是影响掺气效果的重要因素之一,而空腔长度和空腔积水是反映掺气空腔特性的两个重要指标。通过二维数学模型建立和数值模拟计算,对反弧半径、掺气坎体型与反弧段水流特性及掺气空腔特性的影响关系进行研究。根据数值模拟结果可以看出,反弧半径的增大会引起空腔长度的增长而减短空腔积水长度;挑坎坡度越陡,空腔长度和空腔积水长度都会变得越长;空腔长度和空腔积水长度都与挑坎高度成正比关系。本结果可以为优化掺气设施提供科学依据。     

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。     

有压出流条件下突扩突跌掺气设施空腔长度研究

掺气减蚀措施可以减免高速泄水建筑物的空蚀破坏。采用突扩突跌掺气设施,会同时形成底空腔及侧空腔,获得较好的掺气减蚀效果,对建筑物底板及侧墙均起到良好的保护作用,在有压出流条件下,通过对突扩突跌掺气设施水工模型进行不同突扩宽度、跌坎高度、下游坡度、来流条件下的模型试验,初步确定了跌坎高度、突扩宽度、下游坡度对空腔长度的作用方式。结果表明,有压出流条件下,在其他条件相同时,底空腔长度与突扩宽度、跌坎高度均呈正相关关系,与下游坡度呈反相关关系;侧空腔长度与突扩宽度呈正相关关系,与跌坎高度及下游坡度均成反相关关系。最后通过量纲分析拟合出有压出流条件下,相对侧空腔长度与综合水力参数X的关系,得到在X<8时计算侧空腔长度的经验公式。     

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。     

溪洛渡水电站大型泄洪洞龙落尾掺气减蚀设计优化研究

溪洛渡水电站泄洪洞龙落尾段沿程水流流速增加,压强和空化数沿程降低,相应带来空蚀破坏问题。为了达到较好的掺气减蚀效果,采用物理模型试验研究方法,对龙落尾段底板挑坎+突跌及侧墙收缩体型进行了研究,研究了底板掺气空腔与侧墙掺气空腔之间的相互关系。在确定底板掺气体型下,对侧墙掺气进行了详细研究,以保障掺气设施下游侧良好的水流流态和稳定的掺气空腔形态,对底板和侧墙起到保护作用。     

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。     

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。     

两河口水电站放空洞掺气减蚀实验研究

回水问题是小底坡、低弗氏数下经常出现的影响掺气减蚀效果的问题.本文通过掺气坎掺气实验研究对不同高度下掺气坎掺气效果进行比较.结果表明,经多次体型优化证明,提高掺气坎高度可以明显提高低弗氏数下空腔净空高度,但是鉴于工程量、造价、等多方面考虑,在过水隧洞使用频率不高的情况下,可以选择标准下限来取得各方面最优选择.     

基于正交设计的掺气坎体型设计数值模拟研究

考虑挑坎坡度、挑坎高度等9项可能影响掺气坎空腔特性的参数,按照正交设计进行数值模拟试验.在试验基础上,采用极差和方差分析手段,以掺气空腔的外空腔长度、内空腔长度、通气孔进气情况和槽口出流速度为评价指标,对影响掺气坎空腔特性的9个参数进行分析.结果表明:影响掺气坎外空腔长度的诸多因素中,缓坡平台长度是主要因素,其他因素的影响相对较小;U型槽高度对掺气空腔内空腔长度起控制性作用,其他因素影响很小;对于通气孔进气情况和槽口出流速度,9个因素的影响都相对较小.与试验建议方案比较结果表明,通过正交设计分析所选出的最优方案,其水力特性指标均优于其他方案.说明正交设计分析方法是合理的,可行的.所得成果为工程实际中掺气坎体型的设计提供了依据,对于设计行之有效的掺气设施有实际意义.     

通气孔型式对超宽泄槽的掺气影响研究

结合某水电站溢洪道现场泄流流态,采用数值模拟方法对溢洪道泄槽段掺气坎附近流态进行分析,与实际工程的泄流流态进行对比,分析泄槽的水深、流速、压强等水力特征要素,并对不同通气孔面积的掺气坎进行泄洪模拟分析.此研究成果可应用在类似实际工程中,为泄槽布置掺气减蚀的结构型式提供参考.