挑流水舌泄洪雾化源形成过程研究

水利工程大功率泄洪引发的强降雨及雾流对工程运行安全和周围生态环境均可能产生较大影响。以往研究工作主要从工程安全出发,关注大坝下游两岸岸坡的泄洪雾化影响范围和雨强分布特性。由于泄洪雾化涉及复杂的水气两相流和高速水流运动问题,现阶段对雾化形成机理的研究尚不透彻。通过概化模型试验,利用高速摄影等测量手段,对不同水力条件下挑流水舌落水产生泄洪雾化的过程进行了观测分析,重点研究了落水点附近表面水体激溅反弹产生雾化源的过程,分析了泄洪雾化主要雾化源的组成和特点。研究表明泄洪雾化主要由水舌空中紊动掺气形成的抛洒雾源和水舌与下游水体碰撞反弹形成的激溅雾源组成,特别指出激溅雾源的形成与水舌入水导致的下游水体表面周期性壅水形成、破裂、消落的过程密切相关。     

高坝泄水雾化机理探讨与防治措施综述

高坝具有落差大、泄洪流量大特点,当河谷狭窄时泄水雾化问题尤为突出,可能危及工程安全运行,影响大坝消能区周边环境。本文归纳分析了国内雾化研究方法与成果,总结了高坝泄水雾化机理与防治措施。     

对隔河岩工程泄洪雾化的认识与防护

国内新安江、柘溪等水利枢纽均存在由于泄流雾化而造成对于工程及发电的危害。泄流雾化属于水气二相流动,即自溢流坝或深孔下泄的高速水流,经鼻坎挑流作用而使水舌抛向空中并射入下游水垫。在此过程中,由于水气混掺;水舌入水喷溅,以及水舌在空中碰撞,形成之水滴、水汽,造成了雾化。对此目前尚无成熟的理论计算方法。二滩工程采用模型试验及原型观测手段对雾化进行研究,并在此基础上定出雾化分区标准,给出相应分布范围及确定防护措施。清江隔河岩工程系用表孔及深孔泄洪,预计泄洪时将会产生不同程度的雾化问题。由于泄洪期为每年5～10月,故不致因雾化引起输电线路挂冰现象。因坝址上游为峡谷,下游地形则相对开阔,易产生峡谷风,使雾向开阔处扩散,可能影响电站运行。经试验表明,如能尽量避免表、深孔联合运用,可减轻雾化程度。根据已建工程的雾化资料,隔河岩工程提出采用全封闭式开关站;加固开挖边坡及设排水沟等防护措施。     

浅析白山泄洪雾化的几个问题

白山泄洪采用４个高孔和３个中孔相互穿射，每股水舌横向扩散，纵向分层、高孔掺气等措施，最大限度地减少下游入水单宽流量。由于河床狭窄、泄量大、流速高、掺气和水舌穿射，结果产生了雾化。１９８６年和１９９５年白山泄洪雾化对一、二期厂房均产生了一定影响。目前嵐诖笮凸こ棠Ｐ捅瘸咭话阍冢保海常底笥遥Ｐ退鞅砻嫖げ笥冢叮埃埃梢越饩鏊谋砻嬲帕ξ侍狻８菸砘髑┯昵慷龋范ǚ阑ご胧     

基于数值模拟的若坑水库溢洪道水力特性分析

为探究若坑水库溢洪道建筑物三维流场模拟及水力特性,应用数值模拟技术对溢洪道掺气坎周围掺气和水流特征展开模拟分析,得出泄流场、压力场、流速场、水面线等水力学参数分布趋势特征,进而对溢洪道通气孔处通气量和风速以及跌坎掺气水流运行特征展开模拟分析。结果表明,不同特征直径气泡对通气量存在较大影响,但整体而言,模拟值均超出设计值;水体中部掺气浓度沿程表现出衰减趋势,空腔负压模拟值明显大于设计值,不利于掺气空腔的完整;尾坎消能工边长的增大能较好消耗水流势能并减小负压空腔,但同时会引起非稳定流速,故应将尾坎边长控制在合理范围内。     

水布垭枢纽泄水建筑物主要水力学问题研究

水布垭水利枢纽泄水建筑物包括左岸5孔岸边式溢洪道及右岸1条永久放空洞.放空洞主要承担工程施工期后期导流及完建后大坝检修时放空水库的任务,具有水头高、流速大、运行时间长、水位变幅大等特点;溢洪道则承担常年泄洪重任,具有大流量、窄河谷、高落差且下游地质环境较差的特点.根据该工程系列水工模型试验成果,对泄水建筑物的主要水力学问题,如:消能防冲、掺气减蚀、空化空蚀、泄洪雾化等进行了综述,具有一定的参考价值.     

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。     

泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法研究

为实现在综合考虑地形和环境背景场条件下,模拟泄洪期间局地区域天气环境的变化情况,以数值天气预报系统为基础,建立了泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法。结合大岗山水电站一次降雨过程和实际观测资料,拟定了泄洪雾化同化数据分类设置的参考值范围。运用泄洪雾化对天气环境影响的松弛同化方法,对大岗山水电站泄洪期间的天气环境变量进行了同化计算。由于大岗山水电站仅有2015年9月14日15∶30—16∶40泄洪数据,选取2015年9月14日16∶00时刻模拟数据分析得到,在考虑风向变化的条件下,风速变化值为8.76 m/s,纵向影响范围约2.1 km;温度降低了3.32℃,纵向影响范围约2 km;相对湿度升高了8.71%,纵向影响范围约2.8 km。模拟结果表明,风速受水舌风影响风向改变、风速升高,温度受泄洪雾化降雨影响降低,相对湿度受雨雾蒸发影响升高。同化模拟的结果均向观测数据趋近,模拟结果符合实际的观测情况。     

宝珠寺水电站泄洪雾化原型观测

宝珠寺水电站雾化原型观测结果表明:右底孔单独泄洪时,水舌溅水很大部分落在左岸,最大降雨强度约为360mm/h,左、右底孔同时泄洪时,左岸最大雨强在1950mm/h以上;在常遇洪水下,左、右底孔同时泄洪时,泄洪雾化将造成防雾廊道右侧的498·7m平台的严重冲刷,对该部位必须用混凝土衬砌保护;宝珠寺坝顶及坝后开关站一般不会受到泄洪雾化的影响,水电站下游河谷开阔,泄洪水雾飘散范围宽,容易散开。不过,电厂出线距离泄洪雾化影响区很近,如果泄洪时间较长,则泄洪雾化可能会对输电安全造成影响。     

两河口水电站泄洪雾化影响分析

采用随机溅水数学模型,针对两河口水电站泄洪雾化降雨进行了数值模拟,分析了泄洪条件与河谷地形对雾化降雨分布的影响。研究表明,当洞式溢洪道与深孔泄洪洞联合运行时,泄洪雾化降雨区位于溢洪道出口下游约1 000~1 300 m,横向宽度可达300~400 m,雾雨爬升高度可达125~155 m,水舌下游暴雨区中心雨强约600~1 000 mm/h。洞式溢洪道采用窄缝出口并且正对河槽,雾化雨区主要在纵向扩展,而横向范围较为稳定。深孔泄洪洞采用横向扩散挑坎并与河道呈较大夹角,雾化雨区分布随泄洪流量变化较大,且雾雨区主要位于对岸岸坡。因此,在联合泄洪条件下,应通过增大溢洪道流量比例以控制泄洪洞下游对岸岸坡的雾雨爬升高度。     

泄洪雾化降雨的纵向边界估算

近年来随着一大批高坝的陆续兴建，泄洪雾化问题越来越引起人们的关注，迫切需要进行预测研究。由于泄洪雾化的物理过程与影响因素十分复杂，基于大量原型观测资料的统计分析方法是有效的研究手段之一。本研究在对部分已建工程的泄洪雾化原型观测资料进行收集、归纳、总结的基础上，发现泄洪雾化纵向边界与泄流流量、水舌平均入水流速及入水角之间存在良好的相关关系，并基于量纲分析方法建立了估算泄洪雾化降雨纵向边界的经验关系式。该成果可用于实际工程的泄洪雾化预测研究。     

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。     

糯扎渡水电站溢洪道深化设计

糯扎渡水电站地处狭谷地区,泄洪最大水头182 m,溢洪道最大泄洪流量31 318 m3/s,泄洪功率达55 860MW,其规模为目前国内最大,泄洪消能问题十分突出。为此,在可研阶段对泄洪建筑物布置进行了多方案比选研究,在招标阶段进行了深化研究,结合整体水工模型试验及溢洪道单体、掺气减蚀、护岸不护底、泄洪雾化等专题研究,设计了适合该工程的大型岸边溢洪道,在溢洪道挑流鼻坎下游设置消力塘,有效解决了消能问题。     

某水库台阶式溢洪道优化试验研究

台阶式溢洪道广泛应用于工程中,基于模型试验对某水库溢洪道除险加固工程台阶式溢洪道方案进行研究,试验结果表明,设计方案基本满足溢洪道常遇洪水的泄洪消能要求,但当下泄流量高于消能防冲流量时溢洪道泄槽局部出现不良水力现象,并且消力池长度不足。为此在设计方案的基础上,对溢洪道闸室出口泄槽连接段、泄槽掺气设施及消力池消力墩进行不同方案优化布置。通过模型试验最终选定相对较优方案作为某水库溢洪道除险加固方案,优化后泄槽内水翅现象消除,消力池内流态改善,总消能率有所提高。     

高拱坝枢纽工程泄洪调度方式对雾化的影响分析

结合已建典型高拱坝枢纽工程泄洪雾化原型观测、数值模拟及物理模型试验成果,分析高拱坝枢纽部分孔口开启泄洪的雾化规律,探讨通过泄洪调度方式减轻泄洪雾化所带来危害的途径,保证电站枢纽安全有效运行。结果表明,坝身表、深(中)孔泄洪时雾雨区分布与下游水舌入水流速、水舌入水面积以及入水角度密切相关,其中入水流速对深(中)孔泄洪雾雨区分布的影响更加明显。当库水位和泄洪量一定时,泄洪洞运行雾化雨强及其影响范围最小,且雾化影响区集中在远离坝体的下游河段,而深(中)孔单独运行雾化雨强及其纵向影响范围明显大于表孔和泄洪洞单独运行工况,雾雨区垂向范围受泄洪调度方式影响较小。     

泄洪雾化源区降雨强度分布特性试验研究

高坝工程泄洪雾化引发的强降雨及雾流对水利工程和周围环境均产生较大影响。以往研究主要针对下游岸坡泄洪雾化雨强开展工作,少见对雾化源区域的研究。通过概化模型试验,在不同水力条件下对挑流水舌落入下游水体产生的雾化源区域的降雨强度进行系统测量和分析,针对泄洪雾化雾源区雨强的平面分布特征进行了研究,确定了落水点周围不同区域雾化源的形成原因和降雨强度平面分布规律,并对水舌落水区的区域范围和雨强分布特征随流量和水头差的变化情况进行了探索。     

溢洪道挑流鼻坎水气二相流数值模拟研究

针对某溢洪道挑流消能存在的问题,采用VOF方法、立方体网格和k-ε紊流模型对溢洪道整体水力特性进行了三维数值模拟,对挑射水流流态、水舌掺气、水垫塘底板压强、下游河道流速等方面进行了分析。将某溢洪道由原高低式挑流鼻坎修改为差动式后,增大了下泄水流入水范围,提高了挑流消能的消能效率,减小了水垫塘底板压强,降低了下游河道水流流速。优化方案数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。     

通气孔型式对超宽泄槽的掺气影响研究

结合某水电站溢洪道现场泄流流态,采用数值模拟方法对溢洪道泄槽段掺气坎附近流态进行分析,与实际工程的泄流流态进行对比,分析泄槽的水深、流速、压强等水力特征要素,并对不同通气孔面积的掺气坎进行泄洪模拟分析.此研究成果可应用在类似实际工程中,为泄槽布置掺气减蚀的结构型式提供参考.     

高水头大流量泄洪建筑物的泄洪安全研究

随着我国在建和待建的高坝泄水建筑物所涉及的水流流速愈来愈大,高速水流问题的影响日益突出,直接关系到枢纽的安全运行.基于国内外对高水头人流量泄洪建筑物的泄洪安全研究,以会沙江下游梯级向家坝、溪洛渡、白鹤滩以及乌东德等特大型水利水电工程中存在的高水头大流量泄流建筑物安全关键技术难题为背景.总结并探讨了适应我国特大型水利水电工程水头高、流量大、河谷狭窄等特点的泄流建筑物安全新技术,为解决消能防冲、掺气减蚀、泄洪雾化、高流速条件下的新型抗冲耐磨材料、泄流结构灾变及其诊断和预警等系列性关键问题,提、高我国高水头大流量水利水电上程泄流建筑物的安全性,提供了重要参考.     

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。