猴子岩水电站深孔泄洪洞水力学试验及数值模拟

深孔泄洪洞是猴子岩水电站4套泄洪设施之一,其落差超过100m,洞内泄流流速最大可达22.5m/s,有高水头大流速这一特点.本文采用双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法,对猴子岩深孔泄洪洞有压洞弯段及无压洞段的多种水力学要素进行三维数值模拟.数值模拟结果与1:25单体模型试验数据对比表明,采用该紊流模型与数值计算方法,能够很好地模拟这种高水头、大流量且带有自由表面的掺气水流的水力特性.计算模拟出的多种水力特性,从变化趋势到数值精度可满足水工设计的要求.     

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。     

某水电站深孔泄洪洞流态及泄洪试验研究

为进一步了解某水电站扩机深孔泄洪洞改建工程中存在的问题,通过水工模型试验,开展上游进气、流态、泄流能力等问题的研究,得出库水位在死水位～校核水位范围内,下游工作弧门全开时,工作闸室成为了进气通道,是导致洞内流态恶化的主要原因。为确保洞内形成有压水流结构,以及汛期度汛安全,下游弧门需局部开启控泄,同时得出上游水位与下游弧门开度、泄量之间的对应关系,研究成果可为工程汛期运行提供参考。     

超高水头竖井旋流泄洪洞不同湍流模型数值模拟

基于VOF法,分别选取标准k-ε紊流模型、RNG k-ε紊流模型和Realizable k-ε紊流模型,对某一超高水头、大泄量竖井旋流泄洪洞的水力特性进行数值模拟,并将紊流模型计算结果与模型实验数据进行了对比分析。结果表明:3种紊流模型模拟计算所得的空腔直径、竖井壁面压强、旋流角等参数变化趋势与模型试验测试结果基本相同,但量值有所差别。相比较而言,Realizable k-ε紊流模型计算所得旋转水流的空腔直径、压坡底板与部分竖井壁面压强、旋流角在量值上更接近试验测量值。因此,Realizable k-ε紊流模型能够更好地模拟这种具有超高水头、大泄量、强旋转并带有自由液面旋转水流的水力特性。     

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。     

二滩水电站1号泄洪洞水力特性与掺气减蚀的三维数值模拟

基于VOF法和k-ε紊流模型,对二滩1#泄洪洞进行了全流道三维数值模拟计算,获得了泄洪洞的流场及速度场、压力分布、水相分布及空腔、流速矢量等水力特征参数。计算结果表明:在原有体型通气孔侧墙部位,水流掺气不充分,出现局部负压,是造成该部位发生空蚀破坏的主要原因。本文所采用的数值模拟模型计算可以成为研究泄洪洞水力特征和掺气减蚀的一种方法。     

泄洪洞工作闸门开启时水击数值模拟研究

泄洪洞工作闸门运行过程中有可能产生水击,目前没有受到重视。应用特征线法数值模拟青海省某水电站泄洪洞工作闸门开启时闸前水击的变化过程,结果表明:(1)工作闸门匀速开启的方式可导致泄洪洞内产生水击,水击产生于闸门开启的初始阶段,水击压强振幅呈对数规律衰减;(2)工作闸门非匀速开启方式对泄洪洞非恒定流有重要影响,闸门开启速度先慢后快的运行方式可有效减小水击压强振幅,降低闸门振动的可能性,工作闸门以适当的加速度开启时可消除水击现象,彻底避免水击引起的闸门振动,排除这种泄洪安全隐患。     

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。     

泄洪洞工作闸室及陡坡明渠段体型优化数值模拟

对九甸峡水电站右岸泄洪洞工作闸室,包括圆直段、圆变方段、方洞段、弧形闸门段、渐变段和明渠段流场进行了数值模拟。获得了水面线、压力、空化数、流速等水力要素。成功捕捉到了压力洞出口处的水翅、突扩跌坎处侧空腔和底空腔。计算结果与实测数据符合较好,根据计算结果,提出了能解决原方案负压区严重和明渠陡坡空蚀破坏问题的泄洪洞体型修改方案。     

新疆某水库溢洪洞水力特性的试验研究与数值模拟

为研究新疆某表孔溢洪洞原设计体型的水力特性,采用水工模型试验与数值模拟相结合的方法开展相关的研究工作。试验研究以水工正态模型为研究平台;数值模拟利用ＦＬＯＷ －３Ｄ商用软件为平台采用湍流方程模型和ＶＯＦ方法开展工作。通过物理模型试验和数值模拟对比分析了表孔溢洪洞内水流流态、水面线、压强及流速等水力特性。结果表明:原设计体型在斜井陡坡段存在水流折冲,有较强水翅,挑坎水舌落点靠近河道左岸,冲刷严重,冲坑明显;数值模拟计算结果与水工模型试验基本吻合,说明三维数值模拟在研究复杂水流流场时的可行性。针对流态问题提出优化体型,根据下游消能、冲刷情况,提出相应的工程措施。     

小湾水电站泄洪洞水力学问题试验和数值模拟研究

岸边泄洪洞为小湾水电站3套泄洪设施之一,上游水位和泄洪洞出口挑流鼻坎落差超过200m。最大泄量达到3881m^3／s,具有典型的高水头大流量特点,泄洪水力学问题十分突出。采用三维数值模拟和1：35局部模型试验相结合的方法,对小湾泄洪洞新方案进行研究和优化,结果表明：泄洪洞长有压段进口体型布置基本合理;该设计方案明流段反弧末端掺气坎和明流直线段第一道掺气坎由于坎高和水流Fr数较小的原因,难于形成稳定的掺气空腔。通过降低泄洪洞反弧末端高程,提高水流Fr数以及在掺气坎下增设二级坡的方法,解决了难于形成掺气空腔的问题。     

基于VOF模型的团山子溢流坝数值模拟

本文介绍了VOF 模型,结合k-ε紊流模型,利用Fluent软件数值求解了带自由水面的二维水流流动问题。以团山子水利枢纽为例,计算了溢流坝内水流流动特性,并将计算结果与实验数据进行对比,结果表明计算值与实测值吻合较好,说明VOF 模型能够精确地跟踪自由表面,可利用数值模拟对泄水建筑物设计方案比选,结合模型试验的方法,研究其水力特性。     

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。     

龙抬头式泄洪洞水流数学模型及其应用

本文给出了一个实用、有效的三维泄洪洞水流数值模型。对泄洪洞进口段采用势流模型，对明流段则考虑了阻力与边界层发展的影响，提出了一种既适合内部边界层区，又适合外部边界层区的数值计算方法，使之能合理地模拟龙抬头式泄洪洞的水流特性。验证计算及工程应用表明，该数值模型具有较高的精度，能满足工程要求。     

阶梯溢洪道水力特性试验及数值模拟

通过对阶梯溢洪道进行模型试验研究,验证了侧堰的过流能力,研究了典型断面流速、压力及水深在不同工况下的变化规律。试验结果表明:侧堰的过流能力满足设计要求,在各工况下,水深小于边墙设计高度,阶梯段各点空化数小于初生空化数,不会引起空蚀破化。根据原设计方案使用FLUENT对阶梯溢洪道进行数值模拟实验,并将数值模拟计算结果与模型试验结果进行对比分析,发现数值模拟计算结果与物理模型试验结果吻合良好,为深入分析阶梯溢洪道陡坡流场提供可能,同时,为体型结构优化提供技术保障。     

堰式进口溢洪洞设计与水力特性分析

云南晓街河水库工程泄水建筑物采用堰式进口溢洪洞,进口布置开敞式溢流堰,泄槽段采用隧洞型式。由于泄水建筑物结构较为特殊,且上、下游水头差高达79 m,水力特性较为复杂。通过泄流能力、流态、沿程水面线等水力计算分析,并结合模型试验,分析了堰式进口溢洪洞的布置、结构、尺寸等设计要求及水力特性。验证结果表明,设计方案中的溢洪洞泄流能力满足工程要求且流态较好。可为类似工程设计提供一定参考。     

龙抬头水电站泄洪洞水力特性研究

针对青海省某大型水电站龙抬头泄洪洞工程,采用计算流体力学软件Flow-3D,应用RNG k-ε紊流模型、VOF方法,对泄洪洞整体水力特性进行三维数值模拟研究,得到泄洪洞闸室、龙抬头段、挑坎等部位水流流态、壁面压强、水流流速等水力参数。将部分数值模拟结果同整体水工模型试验实测结果进行比较,两者吻合良好。数值模拟及试验成果显示,泄洪洞闸室合理设置突扩突跌设施可有效掺气、利于减蚀,龙抬头段水流流态平稳无突变、壁面无负压;而且,扭曲斜切挑坎有利于挑射水流归槽,可避免水流冲刷对向河岸,泄洪洞体型设计合理。研究表明,数值模拟与理论研究结果接近,可靠度较高,可为类似工程设计提供参考。     

公伯峡水电站右岸旋流泄洪洞的选型

右岸旋流泄洪洞选型研究是在水平旋流自由流推荐方案与淹没流推荐方案的基础上进行的。两个方案体形优化的思路、方向以及所推荐的建筑物各部位的体形尺寸有所不同。通过对两个方案的水力特性对比分析、结构体形上的比较以及其他因素等研究，综合比较推荐公伯峡水电站右岸旋流洪洞采用淹没出流形式。