射流–旋流梯级内消能工临界水力条件初探

为了获得射流–旋流内消能工这种新型梯级消能工稳定运行的临界水力条件,采用模型试验研究和理论分析相结合的方法,对射流–旋流梯级内消能工的压强特性进行研究。结果表明,当竖井内射流尾水洞洞顶的水深大于20%的尾水洞洞径时,可在消能工内形成稳定淹没射流与稳定水平旋转流的双稳运行流态。在淹没射流段和水平旋流段,壁面压强沿程呈现出分级分段变化特征,最大相对压强水头差分别为0.75和0.72。淹没射流孔口顶托压强随竖井水深增大而线性增大。起旋器孔口顶托压强与起旋器孔口水流弗劳德数,阻塞孔口水流弗劳德数,竖井水位与下游水位差有关,并随三者的增大均呈线性减小的趋势。以射流孔口水流弗劳德数和起旋器孔口顶托压强作为上下游水力条件,给出了梯级内消能工在双稳运行流态时需满足的临界水力条件。成果可为射流–旋流梯级内消能工的体型设计、优化与工程应用提供理论依据。     

泄洪洞内具有阻塞与扩散段的水平旋流消能方式水力特性的试验与数值模拟(2)

本文采用Realizable k-ε双方程紊流模型和VOF法,并结合模型试验,对水平旋流复合式内消能泄洪洞的流速分布、旋流角、湍动能、耗散率、以及消能率进行了分析和计算。结果表明:起旋室段存在径向速度,切向入流条件较差;轴向流速沿径向呈对称分布,最大值靠近洞壁;切向流速沿径向呈反对称分布,最大值靠近气水交界面,可视为组合涡分布;旋流角在起旋室段与阻塞扩散段变化较大,中间旋流洞段变化较平缓;紊动能、耗散率在起旋室出口附近及阻塞扩散段较大;计算总消能率约为83%,其中竖井段、旋流洞段和阻塞扩散段各占4.58%、28.45%和49.51%。旋流阻塞的设置不仅减小了旋流洞内发生空化空蚀的可能性,而且增大了洞内消能率,提高了适用水头。     

阻塞式旋流泄洪洞的泄量特性分析

本文采用模型试验和理论分析相结合的方法,对阻塞式旋流泄洪洞的泄流规律和影响因素进行了分析。结果表明:泄流规律与旋流洞流态密切相关,进口和竖井非淹没时为堰流泄流,淹没时为有压孔流泄流;进口淹没时泄流量受起旋器喉口和阻塞孔口共同影响,且两个断面处均为有压孔流泄流规律;起旋器喉口流量系数与喉口前水头损失和喉口断面压强有关,且后者为主要影响因素;阻塞孔口流量系数与阻塞前水头损失、以及阻塞导致的相对空腔半径、旋流角和相对壁面压强的旋流特性变化有关;起旋器喉口流量系数在阻塞面积收缩比m=0.56时约为0.4,m≤0.18时介于0.55~0.65;阻塞孔口流量系数在m=0.56时接近0.5,m≤0.18时介于0.25~0.32;给出了起旋器喉口断面面积设计计算表达式。     

泄洪洞内具有阻塞与扩散段的水平旋流消能方式水力特性的试验与数值模拟（1）

本文采用Realizable k-ε双方程紊流模型和VOF法,并结合模型试验,对一种新型的水平旋流复合式内消能泄洪洞的流态及水力特性进行了分析。结果表明:旋流洞段为空腔直径沿程变化的旋流,扩散段为气水混掺的旋转两相流;空腔直径沿程表现出分段变化的特点,在起旋室内与阻塞扩散段变化较大,在旋流洞段变化较平缓;旋流洞段壁面压强整体较大,但在旋流阻塞段迅速降低;旋流空腔负压沿程增大并在旋流阻塞起始点达到最大;旋流洞段发生空化空蚀可能性较小,而扩散段末端有出现空化空蚀的可能性,需加强结构设计或采用超空化体型。旋流阻塞的设置增大了旋流洞壁面压强,减小了空化空蚀的可能性。     

水平旋转空腔环流的壁面切应力的变化规律

本文推导了水平旋转内消能泄洪洞空腔环流壁面切应力的理论分析表达式。水平旋转空腔环流的壁面切应力不仅与泄流量、旋流夹角、切向流速的速度矩、空腔环流的内外界面的压强差及空腔半径有关，还与空腔环流的内外界面压强差及空腔半径沿程变化率有关。壁面切应力在水平洞的前半段急剧减小，随后沿程缓慢减小，按指数规律衰减变化；上游水位、下游水位越高，其值越大，沿程的衰减变化率也越大；通气孔的直径对壁面切应力的影响较小。壁面切应力的变化规律表明，能量的耗散和易于空化的部位主要在水平洞的前部。     

超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞的数值模拟研究

为了克服传统模型试验对竖井旋流泄洪洞复杂水力特性测试的局限性,本文基于VOF法采用Realizable k-ε双方程紊流模型,对某一超高水头、大泄量竖井旋流泄洪洞进行数值模拟,得到了水流流态、空腔直径、压强及旋流角等水力要素的分布规律,由模拟结果分析得出:竖井内旋转水流的水层厚度分布不均,主流水体,水层较厚,非主流水体,水层相对较薄。旋转水流切向流速的衰减梯度从上到下逐渐降低;在竖井前半段,轴向流速随竖井高度的降低增加较快,竖井中下段,主流水体的轴向流速增加明显,而非主流水体增加缓慢。利用试验测试数据对计算结果进行对比验证,结果表明计算值与实测值吻合良好,说明数值模拟方法可行。     

淹没出流型漩流竖井泄洪洞新型连接型式及水力特性研究

针对本文提出的一种新型淹没出流型漩流竖井泄洪洞开展模型试验研究,实现了在下游高水位情况下,旋流竖井高掺气水流通过导流洞时由无压向有压的平稳过渡衔接。通过在导流洞底部合适位置上设置挡坎、顶部设置排气孔和压坡等技术手段,先使水流在有限长度内剧烈混掺消能,其后通过挡坎和压坡的共同作用促使逸出的多余气体通过排气孔顺利排出。试验明确了各个流段不同的水流流态、功能及分区依据,并提出了相应的体型优化设计原则。试验结果表明导流洞内前半段为掺气水流,后半段基本上为清水状态,消能区冲击动压及脉动压力均方根最大值分别为150kPa和89kPa,总消能率能达到85%。为导流洞改建泄洪洞技术领域提供了一条新途径。     

一种新型掺气型旋流竖井的试验研究

传统旋流竖井泄洪洞在高水头大流量情况运行时,竖井内出现壁面掺气不足,将可能发生空化空蚀破坏影响泄洪建筑物的安全运行。本文提出了一种新型掺气型旋流竖井体型——双涡室掺气型旋流竖井。试验表明：该体型竖井内水流流态更加稳定,掺气更明显,空蚀特性得到明显改善,并增加了消能效果,而且结构更稳定,保证了旋流竖井泄洪洞的泄洪安全。     

曲面贴角窄缝挑坎在玛尔挡水电站中的应用研究

曲面贴角窄缝挑坎是我国发明的一种典型挑流消能工,本文通过将曲面贴角窄缝挑坎与传统直线边墙窄缝挑坎工程类比及结构、受力分析,表明曲面贴角窄缝挑坎具有边墙高度低、消能较充分、所受脉动压强较小、结构稳定性好的特点。针对玛尔挡水电站具有水头高、流速大、下游水位低、泄洪建筑物布置集中的特点,通过水力模型试验,将曲面贴角窄缝挑坎与舌形挑坎、斜挑坎及直线边墙窄缝挑坎对比分析,证实曲面贴角窄缝挑坎水舌入水位置合适、不仅纵向拉开还兼顾横向扩散、冲坑浅、淤积体对电站尾水影响小,可以将其推广应用于坝高超过200m的玛尔挡水电站。     

喜河水电站碾压混凝土重力坝设计

喜河水电站属二等工程,最大坝高62.8 m,在设计工作中因地制宜较好地解决了一些难度较高的问题,其中涉及到大坝的问题有：混凝土配合比设计问题、“低水头、大单宽、高尾水”的泄流消能问题、预应力闸墩设计问题、表孔坝段深层抗滑问题等。     

特约文章：高坝泄洪消能技术研究进展和展望

近40年来,我国水利水电工程建设蓬勃发展,建成了一大批具有世界级水平的水电工程,涌现了许多创新技术,推动了我国在高水头大流量泄洪消能方面的研究达到世界先进水平。本文重点梳理和评述我国在高水头大流量泄洪消能方面所取得的最新研究成果,包括全断面掺气减蚀技术、高拱坝表-深孔空中碰撞和无碰撞挑流消能、高重力坝多股多层淹没射流跌坎底流消能、燕尾挑坎、翻卷挑坎、洞塞式、旋流式及阶梯式内流消能等新技术。对今后中长期的水利水电工程建设面临的高坝水力学问题研究进行了展望。     

混流式水轮机出口旋流与尾水管涡带关系分析

为在设计过程中预测尾水管涡带,分析混流式水轮机转轮出口旋流与尾水管涡带之间关系,通过三维非定常雷诺时均值法对一个180 m水头段的混流式水轮机在三种典型工况下进行数值模拟分析,在数值模拟的基础上可视化尾水管涡带形状,并与模型试验的结果进行比较,验证模拟尾水管涡带方法的正确性。通过对典型工况下转轮出口速度、出口旋流数和涡带形状等来分析转轮出口旋流与尾水管涡带的关系,同时分析在尾水管锥段内旋流数轴向变化规律。结果表明：转轮出口旋流数随运行流量减小而增大,当转轮出口旋流数大于临界值时,尾水管内形成螺旋形涡带及低速区与回流;旋流数小于临界值时,尾水管内无明显涡带产生。     

竖井式进/出水口工程尺度SPH方法模拟研究

抽水蓄能电站是清洁能源体系的重要调节设施,进/出水口的水力特性直接影响抽水蓄能电站运维和收益。抽水蓄能电站竖井式进/出水口水力特性的数值模拟多采用基于网格的欧拉方法,但由于弯管段体型突变,导致孔口区域流场计算精度下降。为了克服欧拉法网格畸变的不足,本文尝试无网格的拉格朗日光滑粒子流体动力学SPH方法对含弯管段的竖井式进/出水口水力特性进行工程尺度精细模拟。结果表明,通过GPU硬件加速,实现了工程尺度的千万级粒子数SPH模拟计算,结果精度较高;对比模型试验结果,发电/抽水工况下上水库至直管段水头损失系数模拟相对误差为15.79%和19.51%,孔口断面流速不均匀系数模拟相对误差为6.30%和3.20%;对比PIV测量结果,弯管段模拟结果一致性较高,但扩散段流动分离现象较明显;对比不包含弯管段的Fluent计算结果,导流锥附近无漩涡且孔口回流区域面积更小。研究发现,相较于欧拉法,SPH方法更清晰地模拟流动分离、二次流等复杂紊流现象,且在局部体型突变处模拟更贴近实际流动特征,具有较大模拟应用潜力。     

多级消能计算研究及优化分析

针对现有多级消能计算较繁琐,特别是消能计算过程中需多次反复试算查表的问题,文章基于水力学理论、数学推导及Matlab软件数值分析,对多级跌水消能、多级实用堰消能分别进行了总结分析,为多级消能优化设计提供基础。基于一元三次方程的卡当解理论给出了收缩水深、跃后水深以及水跃长等水力参数的解析计算式,并通过无量纲原理及Matlab软件分别绘制了流速系数φ = 0.80、φ = 0.85、φ = 0.90、φ = 0.95及φ = 1.0时相对跃后水深hc′/T0、相对水跃长Lj/T0的高精度解析计算式、简洁查算表及查算曲线图,便于工程师实际应用;同时基于消力池池深极值理论,给出了末级消力池深的直接解析计算式。最后通过两个算例进行对比计算分析,认为文中理论精度较高且方便快捷;值得说明的是,在考虑工程实际地形、地质状况及开挖费用等影响下,采用等水头落差式多级消能方案不一定最优,需采用多种不同水头落差方案进行优化比选,以节省工程投资。     

异侧布置缝-孔-堰组合式鱼道紊流结构试验研究

我国沿海沿江洄游性鱼类众多,单一式鱼道难以满足鱼类不同溯游习性的要求。迄今,人们对单一式鱼道研究较多,而对组合式鱼道仅限于数值模拟工作,试验研究几乎是空白。本文对凹口堰-矩形中孔-竖缝组合式鱼道的紊流结构进行了较为系统的试验研究。采用声学多普勒测速仪（ADV）量测了鱼道水池内各点的三维瞬时流速,分析了组合式鱼道的流动特征、时均流速、紊动强度、雷诺应力、频谱特性、相关函数及紊动尺度。试验研究结果表明：与单一式鱼道比较,组合式鱼道水流具有显著的三维流动结构;纵向流速在水平面上存在明显峰值区,横向流速和垂向流速显示在横断面上存在旋涡区;在竖缝壁面射流与孔口射流汇聚区,纵向、横向及垂向紊动强度均较大,合并后则逐渐减小;雷诺应力峰值区主要出现在多股射流交汇区;纵向脉动能量主频峰值大小为孔口>凹口堰>竖缝;纵向脉动流速表现出随时间的相关性,并有凹口堰>孔口>竖缝,且沿程波动周期延长;积分尺度和微分尺度显示涡旋结构与组合式鱼道的流区有关。     

活动导叶开度对水泵水轮机泵工况的影响研究

为了解水泵水轮机泵工况活动导叶启闭过程中的性能,参考某抽蓄电站的水泵水轮机建立数值计算模型,对导叶不同开度时的流动特征进行分析。采用SIMPLEC算法和SST k-ω模型详细分析了泵工况不同导叶开启角度下转轮、导叶附近的流场,结合实验数据对各操作工况下的性能进行分析。结果表明,当活动导叶开启角度γ小于18°时,涡的强度大能量损失多,并且出现平面射流,扬程随着γ减小而迅速降低;当γ大于21°时,涡量分布均匀,涡结构产生的能量损失小,同一流量下不同γ的扬程和效率基本保持不变;操作工况下不同γ的扬程均与流量呈线性关系。结论为水泵水轮机的操作工况选择提供依据,也可以指导水泵水轮机的优化设计。     

旋流燃烧器中二次直流风速对NO_x生成的影响

对新型低NOx旋流燃烧器,采用FLUENT冷态模拟和冷态试验相结合的方法得出了其冷态空气动力场。通过对新型低NOx旋流燃烧器的轴向速度、气流射程、回流区、射流边界等的分析,得出二次直流风速v=20 m/s时轴向速度衰减平缓且射程最长,回流区面积最大,回流长度狭长,扩展角比较小,不容易产生火焰贴壁和结渣。同时,给出了新型低NOx旋流燃烧器的轴向速度衰减和射流边界的经验公式。     

抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配,规范规定进/出水口相邻中边孔道的流量不均匀程度不超过10%,但实际工程设计难以达到此要求。本文以某抽水蓄能电站上水库侧式进/出水口为例,通过改变进/出水口各体型参数,利用三维紊流数学模型,重点研究了扩散段分流墩中边孔道宽度比、扩散段分流墩中墩墩头位置、扩散段长度等体型参数对各孔流量分配的影响。研究表明,对于4孔流道的侧式进/出水口,调整扩散段分流墩中边孔道宽度比、中墩墩头较边墩墩头缩进距离、扩散段长度,能有效改善流量分配不均匀程度,但相邻中边孔道的流量不均匀程度较难满足小于10%的要求。其他体型参数,例如圆变方渐变段长度,对流量分配不均匀程度的改善作用较小。研究成果对侧式进/出水口的设计具有指导意义。     

混流式水轮机跨尺度流道内复杂湍流的数值模拟

由于水轮机主流道和密封间隙流道空间尺度相差较大,为同时获得水轮机流道和密封通道内的流动特性以及水封间隙泄漏特性,充分考虑叶道流和间隙流的相互干扰,采用非一致网格界面插值技术以及基于Vreman亚格子模型的全局动态大涡模拟方法,不仅得到主流道内速度、压力以及涡量的分布,同时捕捉到了微通道间隙内的流动特征以及不同间隙宽度对密封渗漏流动特性及顶盖压力分布的影响。计算结果表明,主叶道内的强旋拧涡带,密封间隙内旋涡结构以及尾水涡带都直接影响转轮的动态平衡,流体从间隙进入梳齿空腔后产生很强的旋涡而耗散部分动能,而且不同尺度密封间隙流道内产生的旋涡结构不同,耗散能量差异较大,反映出密封渗漏流量的不同。