泄洪洞掺气减蚀探讨

泄洪洞掺气减蚀问题一直备受关注。文章以涝河水库泄洪洞为例,对V型掺气坎和U型掺气坎的水力特性进行1∶30模型试验,重点分析不同单宽流量下的掺气减蚀效果,并利用VOF模型进行了数值模拟分析。试验及模拟研究结果表明:V型掺气坎相对于U型掺气坎更为合理,其具有更长和稳定的掺气空腔以及更大通风井负压、射流冲击压力,水中的掺气浓度也较大,同时空腔内的积水较浅;而通过数值模拟结果显示,V型坎在不同工况下能够保证水流经过其后具有均匀的流速场和压力场,表明掺气减蚀作用明显。     

泄水建筑物掺气坎底空腔回水探讨

该文主要采用数值模拟的方法,对明流泄洪洞掺气坎底空腔回水问题进行了探讨.通过对连续坎及三维异型掺气坎(U型、V型和凸型掺气坎)后落水区形态,水舌三维流态以及落水区流场结构等水力特性进行分析发现:当水流经过掺气坎后,中间水流较为集中时,主流方向的能量较大,不利于水流在底部落水区域的充分扩散;水流出坎后横向扩散的方向对抑止空腔内回水壅堵较为敏感,掺气坎后水舌向两侧扩散的水流与边壁的相互作用容易产生回水.结合掺气坎后水流的细部结构得出,影响掺气坎后空腔回水的主要因素为:出坎水舌落水区的纵向分布范围与横向分布范围的关系以及水舌入水角度.     

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．     

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.     

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。     

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.     

低佛劳德数掺气坎空腔回水问题研究

为解决低佛劳德数缓坡泄洪洞掺气坎空腔易发生水流回溯，影响进气的问题，结合大渡河大岗山水电站泄洪洞，采用k-ε紊流模型对连续式掺气坎、连续式掺气坎加局部陡坡以及U型掺气坎加局部陡坡三种体型的掺气坎进行了数值模拟和物理模型试验，结果表明设置U型掺气坎可以有效地抑制水流回溯，稳定掺气空腔，消除空腔内积水，增大气水交界面积，提高掺气效率，而且具有体型简单等优点。     

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。     

猴子岩放空洞掺气减蚀措施研究

猴子岩放空洞具有高水头、小底坡的特点,明流段底坡仅为0.052 8,掺气坎后难以形成空腔,经3组优化体形方案对比,考虑下游流速较小,提出对上游段局部加陡变底坡设三级掺气坎的方案,具体为中闸室出口处采用突扩突跌、随后两级为挑跌坎的形式,获得了稳定的掺气空腔,起到了良好的掺气保护作用。对优化后的体形校核工况进行了三维数值模拟,并对水面线、流速、压力、空腔进行了计算,计算值与试验值符合良好。     

高水头、小底坡泄洪中孔掺气坎体形优化与运行实践

高水头、小底坡、水位变幅大的掺气设施体形优化难度大。某水电站泄洪中孔最大水头达92.37 m,底坡仅5.0%,运行水位变幅为11.37 m,掺气坎体形是设计难点。基于1∶40的单体水工模型试验,对掺气坎的体形进行了系列优化,获得最终推荐体形。研究表明:采用“坎下局部变坡+小挑坎+掺气槽”的设计,能满足高水头、小底坡、水位变幅大的泄槽掺气要求,各道掺气坎均能形成稳定空腔,掺气效果较好;掺气挑坎的细节尺寸对掺气效果极为敏感;建议建立掺气空腔与其影响因子的数学分析模型,以获得掺气坎优化体形的最佳解。该工程目前已运行近7年,总体效果良好,但突扩突跌后的侧墙发生了局部空蚀,表明对高水头泄水建筑物,宜同时采用减压模型全面、充分论证其局部空化特性。     

平底泄洪洞掺气设施体型研究

掺气减蚀是减免泄水建筑物空化空蚀的常用方法,但对于一些小底坡泄洪洞,如果采用常规的掺气设施结构,掺气空腔往往会被淹没,使其失效反而成为空化源。小底坡泄洪洞的掺气设施体型设计一直是掺气减蚀研究的难题。文章针对平底泄洪洞的掺气减蚀,通过理论分析和1/30的大比尺模型试验,进行了四个方案的对比研究,提出了一种新型的挑坎下游加设贴坡的掺气设施,有效地抑制了空腔回水,获得了稳定的掺气空腔,并且通气量、气水比等掺气特性指标都有明显改善。     

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。     

掺气坎(槽)射流空腔长度的计算

从分析掺气坎(槽)射流微分水体受力的力学关系出发，考虑了空腔内负压及运动液体所受离心惯性力的影响，建立起射流水舌下缘液体质点运动轨迹的微分方程．提出一种通过物理力学概念求解射流空腔长度的计算方法，并分析了空腔内负压、挑角等水力参数对射流空腔长度的影响．计算结果与试验值吻合良好。     

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。     

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。     

FLOW REGIMES BELOW AERATORS FOR DISCHARGE TUNNELS

The flow regimes below an aerator influence directly the air entrainment and the cavitation damage control. Based on the theoretical considerations, the experiments of the aerator for a discharge tunnel were conducted, and the relationships between the flow regime and hydraulic and geometric parameters were investigated. The results showed that, there are two kinds of threshold values for the flow regime conversions. One is1-2Fr standing for the conversion from the fully filled cavity to the partially filledcavity, and the other is2-3Fr which shows the change from the partially filled cavity to the net air cavity. Two empirical expressions were obtained for the conversions of the flow regimes, which can be used in the designs of the aerators.     

INFLUENCE OF FILLING WATER ON AIR CONCENTRATION

The filling water inside the cavity below an aerator occurs for the flow of low Froude number or the small bottom slope of a spillway.The aerator may cease to protect against cavitation damages,and may even act as a generator of cavitation if it is fully filled by water.The experiments were conducted to investigate the influences of the geometric parameters,and then the filling water on the air concentration.The results show that the filling water,or the net cavity length,is closely related to the plunging ...     

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。     

EMERGENCE ANGLE OF FLOW OVER AN AERATOR

Aerator is an important device for release works of hydraulic structures with high-speed flow in order to protect them from cavitation damage. This kind of protecting effect is related closely to cavity length below the aerator, while the cavity length is dominated by the emergence angle over the aerator. Therefore it is crucial to determine this angle accurately. In the present paper the affecting intensities of flow depth and the fluctuating velocity on this angle were analyzed through two introduced parameters. Furthermore, the improved expressions of emergence angle estimation, for both ramp-type and step-type aerators, were presented by means of 68 sets of experimental data from 6 projects based on error theory. The results showed that the present method has higher accuracy than the previously reported methods.