弧形闸门突扩突跌出口掺气设施体型研究

基于物理模型实验,对弧形闸门突扩突跌出口掺气设施的体型及其影响因素进行了详细的研究。试验结果说明:突扩突跌掺气设施形成复杂的水流流态,向上扩散的水流形成水翅,回到正常水面后,在其下游又会激起冲击波,向下扩散的水流形成水帘,增加底空腔的回溯水流;底空腔的长度与跌坎、挑坎的高低、下游泄槽坡度均呈正相关关系,但泄槽坡度越陡,下游泄槽水翅越严重;侧空腔的长度与侧扩宽度呈正相关关系,但与下游泄槽水翅的严重程度呈反相关关系。     

突扩突跌体型的部分水力特性实验研究

高坝泄水建筑物在运行过程中,一般都会采用掺气减蚀的处理措施以保证工程安全。然而,采用常规底部掺气设施后,下游侧墙仍可能出现空蚀破坏。而加入侧墙掺气处理措施,可有效提高下游近壁水体的掺气浓度。本文通过模型试验,对突扩突跌体型下,侧空腔长度对水流形态的影响,佛劳德数对水流形态及侧空腔长度的影响进行了实验研究。     

突扩突跌掺气设施后泄槽底板脉动压力试验研究

有压洞出口后的突扩突跌掺气减蚀设施在水利工程中经常使用。由于水流受边界条件和掺气的影响,其流态和脉动压力往往与普通水槽的情况有很大的不同。通过水工模型试验,对突扩突跌掺气设施后泄槽底板上的脉动压力进行研究,揭示了掺气设施后泄槽底板上不同流动区域的脉动压力特性。从脉动压力的时域过程、均方根值、偏态系数、峰态系数和主频率等多方面得出冲击区、反射区和稳定区脉动压力的特性是不相同的结论。同一流量时,沿流程底板的时均压力都大于脉动压力的均方根值,在冲击区、反射区和稳定区,脉动压力的均方根值分别是同位置时均压力值的约0.5倍、0.6倍和0.7倍。研究成果可为更好地利用突扩突跌掺气设施提供有益的理论和试验依据。     

突扩式跌坎消力池掺气特性试验

采用模型试验对突扩式跌坎消力池内水流的掺气浓度进行了量测,研究了来流条件、突扩比、水流流态对掺气特性的影响。结果表明：突扩式跌坎消力池掺气水流典型流态为水跃流叠加在射流之上,跃首被射流分裂成两部分,气泡跃移区在泄槽延长线范围内,长度较无突扩跌坎消力池有所减小,气泡悬移区长度有所增加,临底长度有所减小,突扩处为清水回流区,携带部分气泡;无突扩跌坎消力池底板掺气浓度呈降峰形曲线分布,各纵向断面沿程掺气浓度分布均匀;突扩式跌坎消力池底板掺气浓度呈升峰形曲线分布,掺气浓度在消力池底板1/4中线处最大,1/2中线处次之,靠近边墙处最小;在同一水力条件下,突扩式跌坎消力池底板掺气浓度较无突扩跌坎消力池有显著降低,且消力池底板掺气浓度不随突扩比的增大而减小。     

突扩跌坎掺气设施深化研究

高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题是高水头泄水建筑物运行所遇到的2大问题。为深入研究突扩跌坎掺气设施,进一步了解其水力特性和空化特性,以某水利枢纽孔板泄洪洞中闸室通气系统和突扩跌坎掺气设施为具体研究对象,通过建立比尺 1∶20 的局部水工模型,分析研究了通气孔风速、流态、压力、掺气浓度等水力特征参数,并将试验结果与原型观测结果进行了对比。结果表明:该工程布置的掺气效果良好,试验所得通气管内风速随闸门开度变化的趋势、水流掺气浓度、压力及其脉动在数值上与原型观测结果均一致,说明工程原型观测与模型试验对比验证是成功的。理论研究和实际运用均表明,结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置,是符合实际需求且安全可行的,同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施,具有广泛的推广应用价值。     

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。     

侧折流器对突扩突跌掺气减蚀的影响研究

突扩突跌式掺气可较好的解决高水头深孔闸门面临的问题,即高速水流下的空化问题和闸门止水问题。但由于多数深孔闸门水头高、流速大,运行安全隐患多,突扩突跌式掺气减蚀设施在应用过程中也出现了不少问题。因此,实际工程应用中对弧门突跌突扩式掺气减蚀设施进行了大量水工模型试验、原型观测,并从两侧突扩宽度、跌坎高度、增设侧掺气坎等方面进行优化研究。以江坪河水电站工程泄洪放空洞弧形工作门突扩突跌式门槽水力学减压模型试验为依托,从水流流态、动水压力以及水流空化特性等方面,对比分析折流器对突扩突跌式掺气减蚀的影响。     

前置突扩突跌掺气设施曲线阶梯水流掺气特性数值计算

采用Realizable k-ε紊流模型和水气两相流Mixture模型对不同流量下前置突扩突跌掺气设施曲线阶梯连接段水流进行了数值模拟,得到了连接段边墙、底板及水流内部掺气量分布规律。结果表明:突扩突跌掺气设施形成的掺气空腔长度和形态与试验结果吻合,测点处掺气量的计算值大于试验值,但计算值与试验值随流量增大而增大的变化规律基本一致;在单宽流量大于28 m~2/s时,水流通过突扩突跌掺气设施后均能形成稳定的侧空腔和底空腔;在流经阶梯段过程中,掺气作用逐渐从四周向内部发展,最后形成均匀的掺气水流;连接段突扩突跌掺气设施和阶梯的联合作用能够有效地提高水流在底板和边墙处的掺气量;在单宽流量为54 m~2/s时,连接段末端掺气均匀水流的掺气量高达20%。通过设置前置突扩突跌掺气设施,能有效提高大单宽流量阶梯水流掺气量,降低泄洪建筑物产生空蚀破坏的风险。     

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.     

小浪底2号孔板洞中闸室突扩突跌式掺气设施原型观测研究

结合小浪底2号孔板消能泄洪洞中闸室的原型试验,介绍了小浪底2号孔板洞中闸室突扩突跌掺气减蚀设施在100 m以上高水头下的水力特性,说明中闸室设计合理,运行安全。     

高水头泄水建筑物侧墙突扩侧空腔水力特性研究

在前期研究的基础上,对高水头明流泄水建筑采用侧墙突扩和底部突跌联合掺气掺气形式时,侧空腔的影响因素和规律进行了试验研究.根据试验结果分析得出:水流经过掺气坎后,在侧墙上的落水位置主要取决于水舌的横向扩散能力和底部的压力分布,底板上的冲击压力对水舌的横向扩散能力有显著影响,冲击压力是影响侧空腔形成的内因.对侧墙突扩掺气坎形式而言,影响侧空腔长度的主要因素有跌坎高度、突扩宽度和来流佛氏数.     

三峡工程泄洪深孔突扩跌坎式掺气的试验研究

 通过水工模型试验研究，对三峡工程泄洪深孔采用突扩跌坎式掺气，比较了明槽坡度、挑坎高度、侧向折流器型式、出口反弧半径，以及通气孔型式和位置等因素，以优化掺气设施，保证在施工导流期及正常运行期各级库水位下(135－175 m)均能形成稳定空腔，达到掺气减蚀的目的。同时，对此体型设计的一般规律和空腔长度计算方法进行了探讨。     

底流消能的跌坎型消力池再附长度的试验研究

再附长度是衡量坎后底滚回流区水流特征的一个重要参数,再附长度随水流入射角度、跌坎深度的变化而变化。根据平面紊动射流理论,建立淹没紊动射流的扩散方程,推导出再附长度计算的半经验公式,并结合水力学试验,对公式进行验证。结果表明,通过试验观测所得观测值与通过半经验公式计算所得理论值吻合较好。     

跌扩型底流消能工共轭水深计算研究

高坝下游泄洪消能形式的选择和设计是国内外峡谷区高坝建设的关键技术难题。跌扩型底流消能工是一种新型消能工。在全面考虑突跌和突扩的影响下,首次提出了跌扩型水跃共轭水深的理论关系式,得出了多股多层跌扩型淹没射流共轭水深计算关系式,具有十分重要的理论指导意义。     

弧形闸门突扩跌坎式通气减蚀研究进展综述

偏心铰弧形闸门门座结构特殊,所处水流情况复杂,实际运行中大多数是成功的,但也有少数发生空蚀破坏。应找出发生空蚀破坏的原因,并提出改善措施,使工程应用建立在可靠的基础上。     

三维异形掺气坎体形压力及空化特性研究

采用数值模拟的方法,对明流泄洪洞典型三维异型掺气坎(U型、V型和凸型掺气坎)进行了模拟,分析研究得出,V型坎和凸型坎与U型坎特性相比,压力具有一定的相似性,体形结构具有更好的连续性;不同掺气坎体形的最小压力分布均发生在坎末端,其主要原因是受空腔压力特性的影响,压力出现过渡特性,该区为空化敏感区。采用压力场与变密度方程相结合的紊流数值模拟,给出了三维异型掺气坎的空化发生和发展的范围;受空腔压力特性的影响,空化初生均发生在掺气坎末端,与其压力特性一致,每个掺气坎凹型部位是空化发生的敏感区。