竖井旋流泄洪洞竖井壁面新型掺气方式试验研究

针对传统的旋流竖井泄洪洞在高水头大流量运行过程中,存在发生壁面空化空蚀的风险,提出壁面全程掺气旋流竖井。通过试验,对竖井段掺气水流的流动特性进行了研究,对竖井壁面的压力、空腔长度,掺气浓度进行了测量。结果表明,采用这种新的掺气方式,竖井沿纵向全程产生了稳定的掺气空腔、掺气效果明显,整个竖井壁面均为含气浓度较高的掺气水流,减免了整个竖井壁面出现空化空蚀破坏,并且竖井壁面压力稳定,不会对竖井壁面的结构安全造成影响。     

大岗山水电站掺气坎数值模拟分析

对大岗山水电站1#掺气坎采用常规挑坎体型和新掺气坎体型进行数值模拟计算,分析水位工况下的水流流态、水流的压力分布、水流速度分布、空腔特性等。结果表明新掺气坎体型具有较好的掺气效果,对类似项目有一定的借鉴作用。     

挑坎下游高速掺气水流的数值模拟

应用FLUENT软件及其二次开发技术,采用双流体模型及混合k-ε湍流模型对带有掺气挑坎的陡槽高速掺气水流进行了二维数值模拟。根据掺气水流的特点,重点对相间阻力模型进行了改进,特别在构建相间阻力本构关系式时考虑了湍流扩散的影响。计算结果表明,在相间阻力模型中考虑湍流扩散的影响,可明显改善以往数值计算对水流掺气估算偏低的状况,使掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好,说明湍流扩散对掺气浓度的分布有重要作用。当采用双流体模型模拟掺气水流时,相间作用力模型应考虑湍流扩散的影响。     

侧墙掺气坎水力特性的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了侧墙掺气坎的水力特性。与试验结果对比分析表明,用紊流数学模型来模拟泄水道反弧末端侧墙掺气坎的水力特性是可行的。数值模拟表明,不论是跌坎上游侧墙贴角,还是跌坎下游侧墙突扩,当侧墙掺气坎尺寸较大时,均会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度,当侧空腔长度大于底空腔长度时,较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道,会出现不利流态,反之,当侧空腔长度较小时,能形成较好的流态。过坎水流落水点下游的流态对跌坎上游侧墙贴角尺寸较为敏感,相对而言,对跌坎下游侧墙突扩尺寸就不那么敏感。数值模拟也证实,采用尺寸较小的侧墙掺气坎,形成较小的侧空腔,能满足进行侧掺气的同时具有较好的流场水力特性。     

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.     

前置掺气坎坡度对阶梯溢洪道掺气水流影响的数值模拟

为研究复杂边界条件下气液两相界面的流动及混掺现象对工程建设的影响,结合某大型水电站的溢洪道,利用RNG k-ε模型对其进行三维流场模拟,采用有限体积法离散控制方程,并用GMRES算法进行压力求解,对前置掺气坎式阶梯溢洪道和传统阶梯溢洪道泄流壁面上的高速掺气水流进行数值模拟。结果表明:随着掺气坎坡度的增加,其掺气空腔及掺气浓度均有所增大,随着水流下泄掺气浓度沿程降低,达到一定距离后趋于稳定,掺气浓度值达到了减免空蚀破坏的要求;与传统阶梯溢洪道的模拟结果进行对比可知,增设前置掺气坎后,既可以增加前几级阶梯的掺气浓度使水流提前达到水气平衡,也没有降低阶梯式溢洪道的消能率,为解决传统阶梯溢洪道中出现的工程难题提供了一种新思路。     

高速掺气水流数值模拟研究

应用FLUENT商用软件及其二次开发技术,采用双流体模型及混合k-ε 湍流模型对带有掺气挑坎的陡槽高速掺气水流进行了二维数值模拟。根据掺气水流的特点,重点对相间阻力模型进行了改进,特别在构建相间阻力本构关系式时考虑了湍流扩散的影响。计算结果表明,在相间阻力模型中考虑湍流扩散的影响,可明显改善以往数值计算对水流掺气估算不足的状况,使掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好。说明在合理构建相间相互作用力的基础上,采用双流体模型可较好地模拟高速水流掺气现象。     

明渠掺气坎体型优化的数值方法

本文将流经掺气坎的水流视为二维势流,归结为拉普拉斯方程,采用有限单元法求解,确定射流轨迹、水流流速以及掺气空腔长度、空腔高度、水舌撞击角、掺气量和掺气浓度等,从而优选出可行的掺气坎体型。计算方法和相应程序得到了实验验证,可在工程设计中应用。     

突跌突扩掺气坎水力特性的三维数值模拟

采取VOF方法和RNG紊流模型对某工程泄洪底孔突跌突扩掺气坎的三维水流进行数值模拟研究,得到了水面线、流速、压力沿程分布、水流空化数和掺气空腔特性等水力学要素,并将部分计算结果与模型试验结果进行了对比,两者符合较好,表明采用数值模拟的方法来研究泄洪底孔突跌突扩掺气坎的复杂流场是可行的,但数值模拟方法还不能有效地预测掺气空腔的回水特性.     

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。     

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.     

掺气减蚀设施数值模拟研究探讨

采用标准κ-ε模型和VOF模型及欧拉模型对泄洪洞及掺气设施水力特性进行了三维数值模拟计算。主要计算了自由水面、掺气设施水力特性和空腔特性及坎后沿程渠底板中心线的掺气浓度。计算结果表明,VOF模型和欧拉模型可以在一定程度上模拟掺气设施水力特性和空腔形态等水力参数。总体而言,在对泄洪洞掺气设施的数值模拟方面,欧拉模型在一定程度上比VOF模型有更好的模拟精度。利用数值模拟可提高水利设计效率和节省费用,并为模型试验提供前期预测和指导,同时其结果可以作为模型试验补充和完善的依据,本文所采用的数值模拟方法及研究结果可供类似工程的研究参考。     

挑坎型掺气减蚀设施过流掺气特性研究

采用一维激光测速系统，对掺气减蚀工程中常用的直线型挑坎的流场特性进行试验研究．通过测量挑坎上及空腔区水流的流速分布及紊动特性，探讨通气量与紊动强度的关系．同时在深入研究流场特性和掺气机理的基础上，通过分析影响掺气的因素，从理论上探求临界掺气流速的计算，重点分析挑坎型掺气过流在空腔负压较大的情况下，临界掺气条件的理论预测，并通过试验资料验证了该计算方法．在此基础上，还进一步研究了掺气量的计算公式及其变化规律．     

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。     

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。     

挑坎掺气槽过流空腔区掺气特性的研究

本文探讨了挑坎掺气槽过游空腔区的掺气特性。对掺气机理、临界掺气所条件、所泡上浮特性、紊动扩散系数、断面含气液度和通气量进行了较详细的理论分析。主要结果得到实测资料的验证。     

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。     

通气坎下游掺气浓度分布的研究

本文从气泡输移方程出发,结合原型和模型实测资料分析,给出了平直底板通气挑坎下游水流底部的掺气浓度沿程演变规律、相应的保护长度及含气量沿程递减率等计算公式。并在计入水流速度、气泡上浮速度和紊动扩散系数的沿程变化的情况下,求得了不计表面自掺气影响的气泡输移方程的理论解。实例验证,本文的有关结论和相应的计算方法是适宜的。     

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。