龙抬头式泄洪洞水工模型试验分析

龙抬头式泄洪洞是小浪底水利枢纽工程的主要泄水建筑物。针对高速水流产生的不良水力学问题,采用几何比尺为1∶40的水工模型,根据重力相似准则,对设计和校核两种洪水位工况下小浪底库区右岸2号龙抬头式泄洪洞的泄流方案进行了试验研究。结果表明:龙抬头式泄洪洞泄流能力满足要求;龙抬头式泄洪洞侧墙空化数均大于0.3,洞身侧墙区域未发生严重的空蚀破坏;下游河道的挑流射程较远,形成的冲坑深度对大坝基础影响较小;挑流消能会对大坝的右岸山体产生冲刷与掏空效应,需要对山体坡面采取抗冲刷措施。     

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。     

龙抬头泄洪洞水力特性研究

结合某泄洪洞改建工程,利用三维紊流模型对不同进口高程的龙抬头泄洪洞水力特性进行比较研究。首先,利用龙抬头泄洪洞水工模型试验结果验证了数值模拟结果的可靠性。然后,针对四种进口高程的龙抬头泄洪洞,从泄洪洞泄流能力、水头损失及水流流态等方面进行了比较。结果表明,在保证各曲线段光滑平顺的前提下,进口高程对泄洪洞、水头损失及流态的影响不大。研究成果可为泄洪洞的设计提供依据。     

基于数值模拟的小浪底龙抬头式泄洪洞防洪安全分析

基于数值模拟,从泄流能力、断面流速、洞顶余幅、测压管水头、空化数及挑流冲刷等方面对黄河小浪底水电站左岸2号龙抬头式泄洪洞进行了防洪安全分析,并将模拟结果与1∶40物理模型试验结果进行了对比,结果表明,模拟结果与试验结果一致,采用数值模拟对龙抬头式泄洪洞进行防洪安全分析是可行的;同时还针对龙抬头式泄洪洞运行中存在的安全问题提出了相应的解决措施。     

高水头岸边泄洪洞水力特性的数值模拟

为了探索采用数值模拟的方法来研究高水头岸边泄洪洞水力特性的可行性，用Fluent商用计算软件，对某电站岸边泄洪洞进行了数值模拟研究，得到了泄流能力、压强沿程分布、水流空化数、通气设施进气量、空腔形态及挑距等，并将部分计算结果与模型试验结果进行了比较，两者符合较好，表明采用数值模拟的方法研究龙落尾式泄洪洞的水流是可行的。但是，数值模拟暂时不能正确的反映掺气水深及洞顶余幅。     

河口村水库泄洪洞水工模型试验研究

为验证河口村水库泄洪洞布置方案的合理性和优化的可能性,根据重力相似准则,采用1∶40的单体正态模型系统研究了泄洪洞泄流能力、水流流态、压力分布、空化空蚀、进出口体形等。尝试采用不同挑流鼻坎形式来消除2#洞内起挑前跃后水流局部封顶现象,并提出有利于消能防冲的鼻坎形式。根据试验结果,1#泄洪洞采用中墩修改体形能有效规避宽墩后水冠冲击洞顶的不利流态,同时2#泄洪洞挑流鼻坎采用修改体形可有效解决起挑前跃后水流局部封顶现象。     

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。     

白云水电站高水头明流泄洪洞水力学问题的试验研究

白云水电站泄洪洞系“龙抬头”式明流隧洞。百年设计洪水位５４１．８０ｍ，对应的下泄量１１９７ｍ＾３／ｓ；二千年校核水位５４６．３０ｍ，对应的下泄量１４７３ｍ＾３／ｓ。泄洪洞布置在大坝左岸，断面为城门洞型，洞轴线与河床中心线交角约４５度。洞进出口水位差１００余米，洞内最大流速４３ｍ／ｓ，高速水流问题十分突出。通过１：４０的水工模型试验，对泄洪洞体型、掺气减蚀设备、挑流消能工进行了多种方案的优化，较好地     

高水头明流泄洪洞三维数值模拟

导流洞改建为龙抬头式泄洪洞是一种常见的改建形式,其局部水流流态十分复杂。研究一种高水头龙抬头式明流泄洪洞,采用RNG k~ε模型和标准壁面函数模拟紊流,利用几何重构的VOF模型追踪自由水面;对某龙抬头式泄洪洞在设计洪水位闸门全开情况下进行了三维流场数值模拟。将沿程水面高程、底板压力及掺气空腔长度的计算结果与模型试验数据进行对比验证,两者吻合良好,从而为工程设计提供参考。     

水电站泄洪洞体型优化模型试验研究

文中针对石头峡水电站"龙抬头"式泄洪洞进行了模型试验研究,指出原设计体型存在的问题,对泄洪洞"龙抬头"段、出口挑坎体型进行了优化,并进行了试验验证。优化后泄洪洞水流流态较好,壁面未产生过大负压,出口水流归槽良好。     

压坡渐扩式出口泄洪洞水力特性数值计算分析

为研究不同闸门开度及水位工况条件下，压坡渐扩式出口泄洪洞洞身及出口流态，采用RNG k-ε湍流模型对压坡渐扩式出口泄洪洞的水力特性进行数值模拟。结果表明：闸门全开时，泄洪洞全洞范围内均呈有压流状态，流态稳定；闸门非全开且水位较低时，洞内流态不稳定，容易出现明满流交替的运行状态；闸门小开度时，挑流鼻坎抬高了出口水位，受出口挑坎反弧阻滞作用，出口段流速有所减缓，挑距较小，水流易冲击坡脚。故对于压坡渐扩式出口泄洪洞，设计时有必要开展水工模型试验研究。     

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。     

前坪水库泄洪洞泄流能力及冲刷消能试验研究

为了验证前坪水库泄洪洞原布置方案的合理性,根据弗劳德定律,采用1∶40的单体正态模型进行试验,研究了泄洪洞各试验工况下的泄流能力、时均压力分布、水面线及洞身余幅、消能防冲效果等。结果表明:前坪水库泄洪洞泄流能力满足要求;泄洪洞检修闸门槽最小空化数1.23,大于闸门初生空化数0.7,闸门槽设计合理,满足规范要求;泄洪洞洞身掺气水深均小于直墙高度,洞身余幅均大于15%,满足设计和规范要求;校核工况下,泄洪洞冲坑最深点高程为327.34 m,水流对下游山体造成一定的冲刷,需要对山体采取抗冲刷措施。     

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。     

基于原型观测的高水头泄洪洞通气特性研究

掺气减蚀是降低高速水流对泄水建筑物造成空蚀破坏的一项重要措施。以锦屏一级水电站原型观测试验为基础,分析了原型观测数据结果,研究了泄洪洞整体通气系统的通气特性以及泄洪洞通气量与泄洪水流间的关系。研究表明,泄洪洞及掺气竖井进气量随闸门开度增大而增大,补气洞进气量随流量增大而增大,但泄洪洞的洞顶余幅会限制进气量随流量的线性变化,洞顶余幅越小,进气量相应减小。     

旋流环形堰竖井泄洪洞三维流场数值模拟

旋流环形堰竖井泄洪洞是一种新型的环境友好的内消能工, 跟传统环形堰竖井泄洪洞相比, 泄洪洞的流态和 消能防蚀机理明显不同。作为一种新型布置形式, 其复杂的水流特性并不是十分清楚。依托于广东清远抽水蓄能 电站下水库泄洪洞工程, 基于RNG k2E双方程湍流数学模型, 并结合VOF( Volume Of Fluid) 方法, 对下库旋流环形 堰竖井泄洪洞进水口、竖井旋流泄洪洞、出口的复杂水流进行了三维数值模拟, 并对部分水力参数的特性进行了解 析计算, 获得了流态、压力、流速、空化数等水力要素的变化规律。模拟结果表明, 数值计算结果与物理模型试验成 果吻合较好。并通过数值模拟验证了该新型内消能工的泄流能力和高消能效率。     

二滩水电站泄洪隧洞体型设计

二滩泄洪洞泄洪水流落差达１８０ｍ，单洞泄流量为３８００ｍ３／ｓ，为国内已建和在建泄洪洞的首位，在世界上也位居前列。本文介绍了二滩泄洪洞采用浅水式短进水口、龙抬头隧洞洞身、扭曲斜切挑流鼻坎和舌形挑坎体型的设计研究情况。     

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。     

甘河子坝溢洪道流场特性数值模拟研究

为探究甘河子坝溢洪道流场内部特性,基于现有甘河子坝体溢洪道结构,采用CFD仿真模拟手段对其进行机理探究。研究分析溢洪道沿程水速、水压及空化等水力指标,结果表明：现有甘河子坝体溢洪道的泄流能力满足校核洪水的泄洪要求。坝面水面线光滑,沿程下降,水深及水流流态满足泄洪要求;溢洪道断面水流空化数大于初生空蚀数,理论上不会发生空蚀破坏。但考虑最小空化数与初生空蚀数较接近,为安全起见,建议泄槽边墙及底板的混凝土应选用较高的标号,在甘河子坝的溢洪道的恰当位置处开设掺气槽,从而降低因空蚀作用而导致的破坏性风险;挑流段反弧半径、挑角等设计合理,但考虑到校核洪水位闸门全开时,挑流末端流速较大,挑距较远,可能冲击河道对岸防洪堤,影响堤防安全。因此建议将光滑溢洪道修改为阶梯溢洪道,并将挑流消能改为底流消能,采用阶梯+消力池联合式消能工,提高消能率。该研究可为优化设计现有甘河子坝溢洪道提供借鉴与参考。     

泄洪洞洞顶余幅与补气洞通气平衡特性分析

为了系统分析泄洪洞通风补气系统特性,研究洞顶余幅与补气洞横截面积间的平衡关系,采用泄洪洞多洞供气理论分析模型,系统地讨论了泄洪水流拖气能力、洞顶余幅过气能力以及补气洞补气能力之间的平衡制约关系,绘制了洞顶余幅内的气压变化曲线及泄洪洞总通风量随洞顶余幅变化的曲线以及洞顶余幅与补气洞平衡优化关系曲线簇,总结了3个分区和2个极值点,阐明了洞顶余幅与补气洞的平衡特性。工程设计中,可绘制相应的平衡优化曲线簇,并在分区Ⅱ内进行设计,可保证通风特性优化的同时兼顾洞顶余幅和补气洞横截面积的经济性,实现洞顶余幅和补气洞联合优化设计。