有压出流条件下突扩突跌掺气设施空腔长度研究

掺气减蚀措施可以减免高速泄水建筑物的空蚀破坏。采用突扩突跌掺气设施,会同时形成底空腔及侧空腔,获得较好的掺气减蚀效果,对建筑物底板及侧墙均起到良好的保护作用,在有压出流条件下,通过对突扩突跌掺气设施水工模型进行不同突扩宽度、跌坎高度、下游坡度、来流条件下的模型试验,初步确定了跌坎高度、突扩宽度、下游坡度对空腔长度的作用方式。结果表明,有压出流条件下,在其他条件相同时,底空腔长度与突扩宽度、跌坎高度均呈正相关关系,与下游坡度呈反相关关系;侧空腔长度与突扩宽度呈正相关关系,与跌坎高度及下游坡度均成反相关关系。最后通过量纲分析拟合出有压出流条件下,相对侧空腔长度与综合水力参数X的关系,得到在X<8时计算侧空腔长度的经验公式。     

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。     

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.     

溪洛渡水电站大型泄洪洞龙落尾掺气减蚀设计优化研究

溪洛渡水电站泄洪洞龙落尾段沿程水流流速增加,压强和空化数沿程降低,相应带来空蚀破坏问题。为了达到较好的掺气减蚀效果,采用物理模型试验研究方法,对龙落尾段底板挑坎+突跌及侧墙收缩体型进行了研究,研究了底板掺气空腔与侧墙掺气空腔之间的相互关系。在确定底板掺气体型下,对侧墙掺气进行了详细研究,以保障掺气设施下游侧良好的水流流态和稳定的掺气空腔形态,对底板和侧墙起到保护作用。     

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。     

侧墙掺气坎水力特性的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了侧墙掺气坎的水力特性。与试验结果对比分析表明,用紊流数学模型来模拟泄水道反弧末端侧墙掺气坎的水力特性是可行的。数值模拟表明,不论是跌坎上游侧墙贴角,还是跌坎下游侧墙突扩,当侧墙掺气坎尺寸较大时,均会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度,当侧空腔长度大于底空腔长度时,较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道,会出现不利流态,反之,当侧空腔长度较小时,能形成较好的流态。过坎水流落水点下游的流态对跌坎上游侧墙贴角尺寸较为敏感,相对而言,对跌坎下游侧墙突扩尺寸就不那么敏感。数值模拟也证实,采用尺寸较小的侧墙掺气坎,形成较小的侧空腔,能满足进行侧掺气的同时具有较好的流场水力特性。     

泄洪洞中闸室出口侧墙掺气体型研究

为消除中闸室出口侧墙上的掺气盲区并且改善水流流态,该文提出了突扩-渐扩侧掺气体型。采用RNG k-ε紊流模型对此掺气体型进行数值模拟,获得了侧墙上水流流态、压力分布以及水翅强度等水力特性。利用物理模型试验对计算结果进行验证,计算结果具有可靠性。结果表明:出闸水流弗劳德数一定时,侧墙突扩宽度和渐扩长度是影响水翅强度的主要因素,突扩宽度越大或渐扩长度越短,水翅强度越大;侧墙压力中心主要是由出闸水流冲击泄洪洞底板造成的;此掺气体型能形成稳定侧空腔并且侧墙上无负压产生,能够有效避免空化空蚀。     

掺气折流器对侧空腔和底空腔长度的影响

在突扩突跌掺气设施中，为保证掺气效果，增加底空腔的长度，加设折流器是有效的工程措施。试验证明，折流器坡度和高度对空腔长度均有影响，较高的折流器增加空腔长度明显，且使底空腔与侧空腔贯通，有利于底空腔充分掺气。回溯水流使底空腔变短，有效空腔长度是影响掺气效果的重要因素。在空腔长度的计算中应综合考虑，顶板坡角，跌坎挑角和折流器体型的影响，得出的计算公式有实际应用和理论意义。     

高水头泄水建筑物掺气坎体型研究

对具有高水头、大单宽流量的泄洪建筑物，工程中通常采用强迫掺气减蚀措施防止壁面发生空蚀破坏。本文主要通过物理模型试验研究方法，对高水头龙抬头明流泄洪洞反弧段下游底板和侧墙掺气减蚀进行了研究，提出了一种底部突跌凸型坎和侧墙加贴角联合掺气的新型掺气坎，解决了洞顶余幅、底空腔内回水和突缩引起掺气坎后形成水翅之间的问题。采用这种新型的掺气坎体型后，底空腔内没有回水，同时消除了反弧段后侧墙出现的清水区；侧空腔畅通并直接和底空腔相连，对侧墙和底板都起到了很好的保护。该体型对类似工程的设计及修复具有一定参考价值。     

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。     

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.     

底部掺气设施水流掺气量的计算

掺气减蚀是高速水流泄水建筑物减免空蚀破坏的重要措施。为了有效地实现掺气减蚀,必须使通过掺气设施后的强迫掺气水流达到一定浓度的掺气量。利用本文提出的掺气坎射流轨迹的微分方程计算出了掺气空腔长度,并通过掺气坎供气系统的供气量与水流掺气量的平衡,给出了一种通过计算掺气坎射流空腔负压来确定水流掺气量的计算方法。计算结果与试验结果吻合良好。利用该方法,可对通风系统和掺气坎的设计体型进行初步验算,以判别掺气设施能否满足掺气减蚀要求。     

水布垭水利枢纽放空洞突扩跌坎水力学问题研究

水布垭放空洞具有工作水头高、流速大、上游水位变幅大等特点.针对其工作门区的突扩跌坎掺气体型,通过1∶25局部模型和1∶40减压模型,对该体型的水力特性及空化特性进行了试验研究,结果表明:放空洞在工作水头H0＝0～110 m范围内运行,工作门区突扩跌坎体型可免于空蚀破坏;工作门区侧扩跌坎体型设计参数相对应的临界工作水头Hk为35～50 m;工作水头H0=20 m时,侧空腔浅小,底空腔基本消失,水流不能有效掺气,而侧冲击区有初生状态的蒸汽型空化发生,为安全计,宜采用抗蚀材料对边墙水流冲击予以防护.分析评估了该体型的抗空蚀破坏能力,研究成果为设计决策提供了科学依据.     

泄洪洞反弧段下游侧墙掺气减蚀试验研究

龙抬头明流泄洪洞采用常规的底部掺气设施，容易在反弧末端下游附近侧墙处形成掺气盲区，从而导致该侧墙的空蚀破坏，反弧末端下游侧墙是龙抬头明流泄洪洞掺气减蚀设计的重点和难点。文中通过大比尺的模型试验，系统分析了侧墙贴角及边墙突扩两类反弧末端侧向掺气设施的水力掺气特性，试验表明，这两类侧向掺气设施均能有效消除反弧末端下游附近侧墙上的掺气盲区，达到减免侧墙空蚀的目的。     

泄洪洞侧墙的人工强迫掺气减蚀研究

采用常见的底部掺气设施时,反弧段下游附近边墙仍存在较大范围的掺气盲区,从而反弧段下游边墙容易产生空蚀破坏。利用反弧段上游掺气坎空腔进行人工强迫通气的试验表明,增加反弧段前掺气坎的掺气能力,虽能一定程度减小反弧段下游边墙的清水区范围,但难以将其完全消除。反弧段下游边墙清水区直接强迫通气的试验表明,通过边墙通气孔进入水流的气体扩散范围很小,且由于沿边墙高度各点动水压力不一样,很难保障沿边墙高度掺气的均匀性;同时,强迫通气所需的动力设备功率很大。因此,在实际工程中采用人工强迫通气减免反弧段下游侧墙的空蚀难度很大。     

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。     

二滩水电站泄洪洞侧墙掺气减蚀研究与实践

二滩水电站是中国在二十世纪建成的最大水电站,电站设有2条龙抬头式泄洪洞,单洞最大泄洪流量为3 800 m3/S,设计最大流速为45 m/s.1#泄洪洞在采用常规的掺气设施后,虽然有效地减免了反弧段本身及反弧段下游底板的空蚀破坏,但反弧段下游侧墙仍出现了空蚀破坏.通过大比尺的模型试验,研究了多种掺气减蚀方法,提出了解决高流速、大流量泄洪洞侧墙掺气减蚀方案.2005年,利用研究成果,采用反弧末端上游侧墙突缩(侧墙贴角)加凸型跌坎的三维掺气坎方案,对二滩1#泄洪洞2#掺气坎体型进行了改造.随后的水力学原型观测表明,2#掺气坎区域水流掺气浓度增加,底板和侧墙脉动压力和空化噪声测值平稳,且在合理范围之内.通过连续2个汛期的运行试验和现场检查,改造后的2#掺气坎体型结构完好,下游未发现明显的空化气蚀现象,成功地解决了侧墙空蚀问题.     

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。     

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.