明流泄洪洞掺气减蚀设施优化试验研究

通过水工常压模型试验，对高水头、大单宽流量、小底坡龙抬头式明流泄洪洞掺气坎进行了系统的试验研究及优化试验，提出了一种新型的V形掺气挑坎。该掺气坎的空腔长度沿水流的横断面方向是连续变化的，射流挑距两边长、中间短，尽管最小空腔的长度可能已小于临界值，但由于最大空腔长度仍远大于临界值，在其作用下，便可使回流退去，空腔恢复，保证一定的通气量。这对类似工程掺气设施的合理设计有十分重要的参考意义。     

大底坡急流弯道通气减蚀水力特性研究

本文结合黑河引水一期工程，石砭峪水库泄洪洞急流弯道通气挑坎的水力特性试验，对通气挑坎下游射流水股沿程各断面的掺气浓度分布，坎后空腔长度，下游水流以挟气能力和保护长度进行了研究分析，并对通气减蚀工程措施结构尺寸的选择进行了探讨。     

大底坡急流弯道通气减蚀水力特性研究

本文结合黑河引水一期工程，石砭峪水库泄洪洞急流弯道通气挑坎的水力特性试验，对通气挑坎下游射流水股沿程各断面的掺气浓度分布，坎后空腔长度，下游水流挟气能力和保护长度进行了研究分析，并对通气减蚀工程措施结构尺寸的选择进行了探讨。     

通气减蚀挑坎水力学问题的试验研究

本文仅对通气减蚀设施中应用较普遍、体型最简单的陡坡上微突挑坎进行了较系统的试验研究。文中就挑坎高度、坎后空腔的长度和轮廓,空腔末端断面水流掺气情况,底板承受的动水压力,沿壁射流底层的挟气能力等,按自模、相似原理进行了试验分析,给出了一系列经验性拟合方程。最后,根据沿壁水流掺气状况的演变资料,讨论了通气减蚀设施的防蚀保护范围,并提供了估算方法。     

掺气坎射流出射角的修正方法

掺气坎后射流出射角受到来流水深和射流紊动扩散的影响,不等于挑坎的挑角,计算掺气空腔长度时,应该对出射角进行修正。而目前采用的考虑紊动扩散对出射角影响的修正方法存在不合理的假设。考虑到坎末水流流态为充分发展的紊流,射流边缘处于紊动能耗散区,提出了一种紊动扩散对出射角影响的修正方法。采用该方法计算的射流紊动扩散角与试验结果更吻合。对出射角修正后,结合简单的抛射体公式,就能较精确地估算掺气空腔长度。     

低弗劳德数下挑坎体型对掺气的影响试验

通过变换坎高及挑坎坡度,制作不同体型的挑坎模型,将其置于可变坡有机玻璃水槽中,研究在不同流量下坎后掺气空腔长度及回水深度的规律。试验结果表明:在其他条件不变的情况下,来流量与空腔长度成正比,挑坎高度对空腔长度的影响比挑坎坡度要大得多;流量越大,空腔回水深度越低,而空腔回水深度却随着挑坎高度的增加而增加,挑坎高度的增加与回水深度的减轻并不成正比;在试验条件下,射流水舌冲击角5.5°时已出现空腔回水,空腔回水的出现与射流水舌冲击角密切相关,但归根结底还是与来流条件、水槽底坡、掺气坎体型的确定有关。     

适宜大流量小底坡掺气设施的翼型挑坎研究

大流量小坡度泄洪洞布置的掺气减蚀设施,往往存在空腔偏短及空腔回水等问题。根据大流量小底坡泄洪洞掺气设施已有的研究和应用成果,提出了翼型挑坎的掺气设施布置,以求解决上述问题。针对涔天河水库扩建工程1^#泄洪洞,开展了水工模型试验研究,比较了不同翼型挑坎布置型式对掺气设施水力特性的影响,论证了翼型挑坎对于减轻掺气设施空腔回水的有效性。通过水工模型试验研究,确定了翼型挑坎掺气设施的基本布置型式,为进一步开展研究和推广应用奠定了基础。     

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．     

V型掺气坎在龙抬头式泄洪洞中的应用

本文通过试验研究,从掺气坎后空腔区的三维形态考虑,提出了一种新型V型槽式掺气坎(简称V型坎),其主要特点是:坎后射流水舌的流速、挑角和高程沿中心向两侧保持连续变化,其水舌落水点范围即空腔长度成为一连续变化的曲线,且沿曲线水流流速亦呈连续变化,很好地减弱或消除了龙抬头式泄洪洞掺气坎后水流落水处产生的回水.在V型坎出口断面处,水流的三维扩散充分,水舌与空腔的接触面明显增大,对底空腔长度、通气量等掺气特性指标都有明显改善.     

台阶消能掺气试验优化设计研究

台阶式溢洪道掺气效果直接影响其消能率。文章对台阶式溢洪道掺气设施进行水工模型试验,从掺气坎水流流态、空腔长度、空腔稳定性、通气井风速及台阶段掺气情况看,掺气坎体型是合理的,通气井风速满足规范要求。掺气设施的布置,以期为类似工程提供参考。     

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。     

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.     

低数、小底坡泄洪洞掺气设施研究

泄洪洞具有高流速、低Fr数和小底坡的特点,掺气空腔容易产生回水,布置掺气设施的难度较大。采用模型试验和理论分析相结合的方法对泄洪洞掺气设施进行研究。通过比较掺气挑坎高度、坡度、坎后底坡及衔接形式,分析这些特征参数对空腔回水、通气量及流态的影响,拟合了空腔无回水的临界Fr数与挑坎高度的关系式,总结了掺气设施体形优化方法,研究成果已被实际工程所采用。     

白莲崖水库泄洪隧洞通气井设计

对于采用强迫掺气进行减蚀的泄洪隧洞,必须保证掺气坎空腔内有足够的通气量,否则将会影响掺气坎后的有效空腔长度,从而影响掺气效果。在实际设计中,可以利用现在的闸门井兼做通气井,若通气量仍不满足要求,则须根据掺气坎的位置以及地形、地质条件在合适的部位增设通气井。本文介绍了白莲崖水库泄洪洞通气井的设计及优化,可供相关领域教学与科研人员参考。     

岸边溢洪道过流体形的数值模拟分析

以某大型水电站溢洪道中槽为研究对象,应用数值模拟对其体形进行分析.通过与1:40物理模型试验成果的对比表明,数值模拟能较好地对溢洪道泄流能力、分流墩后水面爬高现象、溢流堰压力特性、掺气坎空腔形态、挑流鼻坎压力特性等主要水力学参数进行模拟,且可信度较高,计算结果验证了溢流堰体形、掺气坎及挑流鼻坎体形基本可行.通过计算还表明,标准k-ε双方程紊流模型不能重现掺气设施空腔回水;VOF模型虽能对泄槽底板气相分布进行定性模拟,但不能对与掺气相关的水力参数(通气井风速、空腔负压等)进行定量计算,通气井尺寸设计需参照物理试验成果.     

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。     

泄槽底坡对掺气坎射流空腔积水的影响

通过作者建立的掺气坎射流曲线方程和掺气空腔积水方程,分析计算了泄槽底坡对跌坎型、挑坎型和挑跌坎型3种掺气坎掺气空腔积水的影响.计算结果表明,泄槽底坡对3种体型掺气坎掺气空腔积水的影响规律是一致的.随泄槽底坡增大,空腔积水减弱,最终消失;掺气坎后挑射水流与底板的冲击角随泄槽底坡增大而减小;不同体型掺气坎的临界冲击角是不一样的.研究成果可为掺气坎的设计提供参考.     

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。     

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.     

不同挑坎下首级台阶角度对阶梯溢流坝面掺气影响研究

前置掺气坎与首级阶梯对阶梯溢流坝的掺气消能有着重要的影响作用,该文以水工模型试验为依托,结合某水电站,确定模型几何比尺为Lr=60。通过对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的联合消能工过渡阶梯上首级台阶台面上挑5°、10°及15°和前置掺气坎角度取8°和10°,共六种组合方案分别进行了水工模型试验。并从空腔长度、掺气浓度、台阶负压、底板时均压力和消能率等各个方面,寻找能改善掺气特性的过渡台阶衔接体型。结果表明:随着前置掺气坎角度增大,首级台面角增加不超过10°时,阶梯溢流坝面上底空腔长度和掺气浓度逐渐增大,负压减小,可有效保护阶梯,防止空蚀破坏。且流速减小,压强增大,消能率也随之略有增长,更利于对下游的保护作用。故前置掺气坎为10°,首级台阶台面角为10°时即方案五为最优组合方案。