泄槽底部掺气坎后水流掺气浓度分布模型试验

针对泄槽底部掺气坎后的掺气浓度分布规律较为复杂、研究成果较少的问题,为了更清楚地探究泄槽底部掺气坎后上游直段、反弧段及下游直段水流掺气浓度分布规律,采用含有反弧段的泄槽进行模型试验研究。试验结果表明:上游直段、反弧段及下游直段水流中不同水深处掺气浓度的沿程变化规律是不相同的;其他条件不变时,水流掺气浓度随掺气坎高度的增加而增大,随反弧段反弧半径的减小而减小;掺气坎高度和反弧半径对掺气设施的有效保护范围有一定的影响,适当提高掺气坎的高度和反弧段的半径对增大掺气设施的有效保护长度有利。     

泄槽反弧段掺气坎空腔回水的试验研究

空腔回水是制约掺气效果的一个重要因素,影响掺气空腔回水的因素众多且复杂。通过泄槽反弧段模型试验,研究了当流量、挑坎高度、挑坎坡度等因素发生变化时,反弧半径的变化对空腔回水深度的影响。试验结果表明,当其他条件不变时,随着反弧半径的增大,空腔回水深度逐渐减小;反弧半径越小,对空腔回水深度的影响越明显;对于同一挑坎高度或坡度,空腔回水深度随来流量的增加而增加;随着挑坎高度、挑坎坡度的增大,空腔回水深度也随之增大,但当挑坎坡度达到一定时,空腔回水深度将不会增大。研究成果可为优化掺气坎下游设施的设计提供参考。     

泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究

对高水头、大单宽流量、低佛氏数、小底坡长明流泄洪洞，在反弧段末端采用常规的掺气坎往往难以取得理想的掺气效果，同时，反弧段下游边墙易出现空蚀破坏。本文在大比尺模型试验的基础上，提出了竖向、纵向及横向三维均连续变化的新型掺气坎，并对比分析了掺气坎三维体型的变化对掺气特性的影响。试验表明，空间三维连续变动的V型坎能使挑射水流形成连续变化的空腔长度，较二维掺气坎在上述特点的泄洪洞中能形成稳定的空腔形态、减小空腔回水并提高挟气量。试验同时表明，泄洪洞反弧末端掺气坎后空腔段水流动水压强小、水流空化数低，容易出现空化；同时，反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分，底部强迫掺气尚未充分扩散，致使反弧段下游附近边墙存在较大范围的掺气盲区，从而容易导致反弧段下游边墙的空蚀破坏。     

龙抬头式泄洪洞反弧末端边墙掺气减蚀设施的研究

高水头龙抬头式明流泄洪洞发生空蚀的部位一般位于反弧末端下游边墙及底板上，因此研究该部位的掺气减蚀设施具有十分重要的应用价值。结合二滩水电站1号泄洪洞，研究了反弧段边墙掺气问题，基于掺气挑坎设计中应遵循的基本原则，提出了一种新型的斜侧收缩式掺气挑坎体形，并分析了影响侧收缩掺气挑坎挟气量及挑坎下游水流流态的因素。     

跌坎型消能工附壁射流区域掺气特性试验

采用水力学试验的方法,测量了弗劳德数为3.08~5.42时,跌坎型底流消能工在不同流量、跌坎深度以及入射角度下,附壁射流区及其附近水域的掺气浓度值,通过对比分析,得到入池流量、跌坎深度以及入射角度对该区域掺气浓度沿程分布的影响规律。试验结果表明:在本试验条件下,当入射角度、跌坎深度一定时,该区域掺气浓度随入池流量的增大而增大;当流量一定、单一改变跌坎深度或单一改变入射角度时,该区域掺气浓度值无明显变化;无论入池流量、跌坎深度、入射角度改变与否,该区域临底掺气浓度均沿程呈现出先增大后减小的规律,而其他水深断面的掺气浓度则沿水流方向呈沿程衰减的规律。     

泄洪洞反弧段末端水力特性指标分布规律

龙抬头式泄洪洞在水利水电工程中应用十分普遍,但是由于反弧段流态复杂,其产生空蚀破坏的原因尚不明晰。对不同泄洪洞体型掺气前后的工况进行三维数值计算,对其水力特性指标的分布规律进行研究。结果表明:随着落差Δz增大,反弧段流速逐步增大,水流空化数逐步减小;反弧半径R的改变对反弧段水力参数的影响有限。掺气水流的反弧段水力学指标主要取决于Δz,而受反弧半径R的影响相对较小。当Δz减小时,反弧段末端的水力参数在掺气前后变化不大,反弧段末端下游30m(等于15倍的挑坎高度)处的掺气水流的流速明显降低,空化数明显增高,掺气水流的保护作用对空腔下游部分的水力参数影响更加明显。在反弧末端有二次流出现,两侧边墙附近存在对称涡,不仅对边墙附近的流速压力分布产生一定影响,也加剧了反弧段内的水力特性的复杂程度。     

不同掺气条件下底板水流脉动压强特性研究

针对水流掺气后对脉动压强特性的改变问题,基于矩形陡槽水工模型试验结果,分析了不同掺气设施及不同通气方式泄槽底板的脉动压力标准差沿程变化规律。分析结果表明,自掺气底板水流脉动压强沿程变化平稳;强迫掺气底板水流脉动压力明显增大,并在水舌冲击区呈单峰规律;单独底坎、单独侧坎和底侧联合坎三种掺气设施中,单独侧坎掺气对底板水流脉动压强影响最小。另外同种掺气设施下,增大流量、增大通气孔面积和采用分散进气方式都会增大泄槽底板的脉动压强。     

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.     

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。     

前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响

将掺气坎布置在宽尾墩出口和阶梯溢流坝首级台阶的中间位置,能有效减小高坝泄水建筑物在高速水流作用下发生空蚀和冲刷破坏的概率。利用水气两相流模型并联合RNG k-ε模型,模拟计算不同前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气浓度和消能特性的影响,前置掺气坎角度依次取8°,10°和11.3°。其中模型采用VOF方法对自由水面进行处理,利用几何重建方式对水气面附近进行插值,采用PISO算法和非定常流算法进行计算。模拟计算结果表明,在不同前置掺气坎角度下,阶梯面平均掺气浓度沿程变化趋势为总体减小并在后几级台阶处保持不变;在靠近掺气空腔后的台阶处,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先减后增,而沿阶梯面垂直近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为先增后减,且同一断面的掺气浓度随前置掺气坎角度的增加而逐渐增加;在靠近反弧段的阶梯上,沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐增大,而沿阶梯面垂直近壁面凸角到凹角方向,掺气浓度的变化趋势为逐渐减小,随着前置掺气坎角度的增加,同一断面掺气浓度随着增大,且泄水建筑物消能率随之增大。     

燕尾型挑坎在李家岩水库溢洪道中的应用

针对李家岩水库下游消能防冲问题,通过1∶30水工模型试验对比了传统连续坎和新型燕尾型挑坎下游挑射水舌特性及河道冲刷形态。试验结果表明:燕尾型挑坎对上游来流的适应性好,起挑流量要求更小。燕尾坎体型下挑射水舌底缘偏离底板程度随单宽泄量的增加而增大,造成近端挑距越小。燕尾型挑坎相比连续坎水舌的横向扩散明显减弱,且沿水流方向充分拉伸,整个水舌落点范围呈狭长型,从而避免了对狭窄型水垫塘或河道两侧岸坡的冲刷,燕尾型挑坎更加适用于狭窄型河谷。燕尾坎体型下挑射水舌的落水范围总体相比连续坎得到伸展,有效减小了入水单宽流量,下游河道的水体波动及冲刷均有所减弱。在试验和类似工程的基础上总结得出了燕尾型挑坎的体型设计原则,相关研究成果可供其他工程参考。     

窄缝挑坎在高拱坝深孔中的 初步应用研究

在锦屏一级水电站（拱坝坝高305 m）整体水工模型上将窄缝挑坎应用于高拱坝泄洪深孔,对窄缝挑坎体型参数选择和布置进行了试验研究。试验结果表明,窄缝挑坎应用于高拱坝深孔,可以获得窄长下泄水流流态;边墙压力测量结果显示,深孔采用窄缝挑坎后边墙无负压出现,但在窄缝收缩起点附近存在压力增大;射流水舌在水垫塘内纵向扩散效果显著,水垫塘底板时均冲击动压分布相对常规挑坎时而言更加坦化,底板冲击动压差也大大减小,这对水垫塘底板稳定和减小射流冲刷有利.     

泄洪洞双扩型挑流消能水力特性数值计算

以某工程泄洪洞双扩型挑流鼻坎消能防冲为研究对象,基于三维不可压缩流体k-ε紊流模型,采用FLOW-3D软件对双扩型挑流鼻坎进行三维数值模拟分析,分析了下游河道流速、水舌是否直接冲击河岸,探讨了原始方案与2个优化方案的挑流鼻坎体型对河床的冲击及其水力特性,并针对不同工况时计算结果,给出了该挑流鼻坎的最佳体型,以满足消能和泄流的要求。结果表明:经多方案数值计算的对比,相比于原方案,反弧半径从64 m增加到128 m,反弧段长度增加10 m,边墙扩散宽度收窄0.4 m,挑角从43.4 °减小到25 °;调整后低水位低流量工况下水舌砸岸情况明显改善;水舌挑距从91.2 m增加到118.8 m,远离岸坡;河道左右岸最大流速分别下降0.7 m/s和1 m/s,且回流减小。研究成果可为挑流消能下游流态的改善提供一定的参考。     

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。     

窄河谷多个泄水建筑物水舌落点的控制研究

在窄河谷中布置多个泄水建筑物时,若泄流孔口体形设计不当,可能存在水舌交叉、集中、砸岸等问题,研究各水舌落点控制问题具有现实意义。结合某山区窄河谷水电工程,在1∶50的整体水工模型试验基础上,研究了坝身表孔、中底孔及侧底孔挑射水流的落点控制问题。结果表明:窄河谷多个泄水建筑物的中孔位置可优先考虑设置燕尾坎;斜切坎应用于边孔位置时,宜对靠岸坡的边墙进行适当的倒圆处理;连续坎挑射水流横向扩散充分,不宜应用于窄河谷。     

平面充分掺气散裂射流研究

水利水电工程中，高速挑流水舌在空气中的掺气及空气对其水流结构有很大影响，随着对消能与雾化问题认识的深入，这种影响愈来愈有必要加以深入研究并在工程中加以考虑。本文对平面充分掺气散裂射流的挑距进行了分析，并对其空中消能率随初始挑角，初始佛汝得数及初始含水浓度的变化进行了探讨。     

洞式溢洪道掺气减蚀设施的体型优化研究

有关高速水流泄水建筑物掺气设施体型优化方面的研究还没有成熟的理论方法,此研究拟通过模型试验的方法取得掺气减蚀设施的体型优化成果。结合大渡河猴子岩水电站洞式溢洪道的大比尺水工模型试验,根据规范,采取3道掺气设施,并对掺气设施挑坎坡度、高度和跌槽深度对比选优,对高水头溢洪道掺气减蚀设施进行优化研究。试验表明,通过改善掺气设施型式,可以有效减免反弧段空化和气蚀。成果可供设计高水头、大流量洞式溢洪道掺气设施体型参考。