明流泄水道突扩突跌掺气设施空腔长度研究

为了查明短有压进口泄洪洞下游明流泄水道上突扩突跌掺气设施底、侧空腔长度随掺气坎尺寸和水流弗劳德数的变化规律,采用模型试验,测试了不同掺气坎尺寸在不同水流条件下的底、侧空腔长度,分析了无量纲底、侧空腔长度与掺气坎尺寸和水流弗劳德数的相互关系.结果表明:底空腔长度随着挑坎高度的增加、挑坎坡度的增大、侧扩宽度的增加和水流弗劳德数的增大而增大;侧空腔长度与挑坎高度、挑坎坡度关系不大,随着侧扩宽度的增加而增大,随水流弗劳德数的变化规律为:当侧扩宽度较大时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而线性增大;当侧扩宽度较小时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而略微减小.     

泄水建筑物反弧末端掺气坎的布置研究

在泄水建筑物中,为了减免在高速水流作用下过流面发生空蚀破坏,反弧段末端常常设置掺气坎.工程实践和科研表明,当掺气坎后为小底坡时,空腔内容易出现回水壅堵现象,减小了有效空腔长度,掺气效果不理想.采用数值模拟、模型试验的方法,对反弧末端掺气坎的布置进行了探讨得出:在泄洪洞反弧段末端设置底部掺气坎时,反弧段后附加离心力对底部空腔长度有显著影响.在反弧末段增加水平延长段后,反弧段下切点之后附加离心力具有过渡性质,随着附加离心力的减小,掺气坎后空腔长度有明显增加区间;水平延长段长度与反弧弧长的比在0.16范围内为空腔长度明显增加区间,在此区间内掺气坎后水流的水力特性得到了改善.     

大流量泄洪洞掺气坎水力特性数值模拟

将k-ε紊流模型与VOF方法相结合,针对长河坝水电站1号泄洪洞的掺气坎进行数值模拟研究.通过计算模拟,分析了泄洪洞掺气水流流态及掺气坎水力特性,计算得到了掺气坎坎上平均流速、水深、空腔长度、空腔负压值等.结合物理模型实测值进行对比,数值模拟结果吻合较好,说明本数值模拟是可行的.针对原工程方案中掺气坎存在回水堵塞问题,通过三维数值模拟确定了1号掺气坎高为0.9m的优化方案.本数值模型能够比较准确地模拟泄洪洞掺气坎水力特性,为类似工程掺气坎设计研究提供了可靠的依据.     

突扩突跌掺气坎底空腔长度计算

突扩突跌掺气坎的底空腔长度既与水力条件和底部掺气坎结构参数有关,也与侧墙掺气坎结构参数有关。以往的底空腔长度计算方法,均针对仅采用底部掺气坎,未设置侧墙掺气坎这类掺气设施,不能反映出侧墙掺气坎结构参数对底空腔长度的影响。本文基于射流微元体受力平衡法,提出了一种求解明流泄水道突扩突跌掺气坎底空腔长度的计算方法,该方法能够全面反映突扩突跌掺气坎底空腔长度受底部掺气坎、侧墙掺气坎结构参数和水力学参数的影响。通过与30组试验资料和已有研究成果的对比,表明本文提出的计算方法具有较高的精度。     

底掺气坎对侧空腔长度的影响

侧空腔长度对射流挟气量及水流流态均有重要影响,采用3维数值模拟,分析了底部掺气坎尺寸对侧空腔长度的影响规律.结果表明,侧空腔长度及侧空腔形态受底部掺气坎的体型尺寸影响较大,随着底部掺气坎尺寸的增大,侧空腔长度增大,其主要原因在于底部掺气坎的尺寸会影响射流跌落至底板的位置,影响射流段动水压力的分布,从而影响射流的横向扩散速率.     

渥奇面上掺气挑坎位置的试验与数值计算分析

采用了紊流模型对设掺气挑坎的渥奇面流场进行了计算,并通过试验验证,发现该模型可较精确地模拟挑流流场和掺气空腔。同时结合试验资料,对掺气挑坎的布设位置进行了研究,得出了相同体型和水力条件下挑坎布于渥奇段下游优于上游的结论,前者流态稳定,散水减弱,下游掺气较佳,可成功解决渥奇段下接高速水流区的掺气减蚀问题,该模型和位置优化结果对掺气挑坎设计选型及布置有指导意义。     

渥奇面上掺气挑坎位置的试验与数值计算分析

采用了紊流模型对设掺气挑坎的渥奇面流场进行了计算,并通过试验验证,发现该模型可较精确地模拟挑流流场和掺气空腔.同时结合试验资料,对掺气挑坎的布设位置进行了研究,得出了相同体型和水力条件下挑坎布于渥奇段下游优于上游的结论,前者流态稳定,散水减弱,下游掺气较佳,可成功解决渥奇段下接高速水流区的掺气减蚀问题,该模型和位置优化结果对掺气挑坎设计选型及布置有指导意义.     

旋流式竖井环形掺气坎的掺气空腔计算

通过试验对旋流式竖井的竖井段流速、压强等进行测量,计算了水流空化数.通过分析,明确了有必要在高水头旋流式竖井泄洪洞中设置掺气减蚀设施.针对旋流竖井环形掺气坎掺气空腔长度的计算问题,从旋流式竖井中水流微团的运动特点出发,运用抛射体理论,推导出旋流式竖井环形掺气坎掺气空腔长度的计算方法,同时将计算结果与试验数据进行了对比,表明给出的汁算方法具有一定的精度,可供工程设计参考.在设置环形掺气坎后,对下游竖井段时均压强影响较小,脉动压强有所增大但频率分布以5 Hz以内的低频为主,不会对井壁构成威胁.     

掺气挑坎通气量试验研究(研究生论坛）

为了避免高速水流对过流面的空蚀影响,国内外高水头泄水建筑物多采用强迫掺气设施,同时必须保证掺气空腔内有足够的通气量。通过模型试验,从水力参数方面研究了掺气挑坎通气量的影响因素。试验结果表明,影响通气量的原因主要分为两方面：一方面为水体本身容纳气体能力,主要由水深决定;另一方面为水流从底空腔中吸纳空气的能力,主要由挑坎流速和底空腔长度决定。分析得出：水深较小时,水体本身所能容纳的通气量对掺气起主导作用;水深较大时,挑流水舌能从空腔中吸纳的通气量对掺气起主导作用。分析试验结果,综合考虑水体自身的容纳空气能力和底部临空面卷气能力两方面原因,提出了掺气挑坎通风量的经验计算公式,可作为泄水建筑物掺气挑坎理论计算参考公式。     

前置掺气坎式阶梯溢洪道体型特点及工程应用试验研究

为了避免阶梯溢洪道中前几级阶梯表面发生空蚀破坏,将掺气坎应用到阶梯溢洪道体型设计中,形成前置掺气坎式阶梯溢洪道。这既能充分利用阶梯增加沿程消能的优点,又能扩宽阶梯溢洪道的应用范围。工程模型试验成果表明,通过掺气坎和阶梯的体型优化,各级流量的消能率均达到70%左右。1:40物理模型试验上实测溢洪道阶梯竖直面后的掺气浓度沿程分布均大于5%。研究表明这种新型阶梯溢洪道掺气量与掺气浓度易于控制,底部掺气充分,抗空蚀性能优越,消能率高,可以在高水头、大单宽流量溢洪道中推广应用。     

移动曝气与固定曝气性能比较研究

文章采用移动与固定式曝气器对曝气塘进行充氧,分析了二者充氧能力的性能差异,指出移动式曝气较固定式曝气投资省、能耗低、效率高、充氧均匀、充分,特别适合于南方水网密布地带使用.     

高水头泄水建筑物侧墙掺气减蚀特性研究

工程中通常采用强迫掺气减蚀措施,防止泄水建筑物在高速水流作用下发生空蚀破坏,但在保护过流面底板的同时,忽视了对其侧墙的保护。为了减免位于高流速区域和低压区域侧墙发生空化空蚀,消除侧墙清水区,采用理论分析和物理模型试验研究方法,对龙抬头明流泄洪洞下游边墙掺气减蚀进行了研究,提出了在反弧末端加折流器（突扩）和突跌掺气方式。结果表明,采用突扩和突跌的掺气方式后,侧墙水流的出射角增大,侧空腔畅通,并直接和底空腔相连,有助于掺气坎后水舌的全断面的掺气,对侧墙和底板皆起到了很好的保护作用。     

Fluctuant characteristics of two-phase flow behind a bottom aerator

Experimental observations show that the random process of two-phase flow behind an aerator is an ergodic process and its amplitude distribution is similar to a normal distribution. The maximum pressure fluctuation is at the re-attachment point where the jet-trajectory flow over the aerator re-attaches to the bottom of the channel, and its amplitude is 2-3 times larger than when there is no aerator. There is a dominant frequency of 1.24 Hz in the model, but the coherence in the frequency domain is not obvious for other frequencies beside the dominant frequency. There is a large vortex at the re-attachment point behind the aerator but correlation among the measurement points is not obvious in the time domain.     

Cavity length below chute aerators

It is proved that air entrainment is one of the efficient measures dealing with cavitation control for the release works of hydropower projects. There are many factors to be considered in designing a chute aerator. One of the most important factors concerns the cavity length below the aerator, which has outstanding effects on air entrainment against cavitation damage. It is crucial to determine reasonable emergence angle for the calculation of the cavity length. In the present paper the overall effects of structural and hydraulic parameters on the emergence angle of the flow from the aerator were analyzed. Four improved expressions of the emergence angle with weight coefficient were investigated through experimental data of 68 points observed from 12 aerators of 6 hydropower projects, of both model and prototype, on the basis of error theory. A method to calculate the cavity length below aerators was suggested, which considers overall effects of the above mentioned parameters. Comparison between the method in this paper and the other five methods of calculating the cavity length showed that the present method is much more reliable than the existing methods while the mean error of the method is less than others. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50539060) and the Innovative Project of Graduate Student in Jiangsu Province (Grant No. 2005-60)     

曝气池清水曝气气泡云团形态特征

目前各种曝气池运行时曝气产生的气泡云团形态差别很大,气泡群时空分布不均,导致氧转移效率在曝气池中的分布差异,能耗高。为了弄清楚盘式曝气气泡云团的形态特征及其时空分布,本文利用高速摄像技术和摄影测量技术,对室内清水曝气实验模型中的气泡云团轴线长度、径向尺度和形态演化进行了观测。结果表明,实验范围内气泡云团轴线形状与水流流速分布曲线形状基本类似,气泡群轴线长度与水深之比介于1.03~1.30之间。曝气量由0.25m3/h增大到2.0m3/h,气泡云团轴线长度和气泡的驻留时间先增大后减小。随着曝气量增大,气泡云团形状变得不规则,且随时间变化越频繁。多个曝气盘曝气,上游的气泡云团会影响下游气泡云团的形态。在流向和展向,气泡云团宽度基本相同;在水深方向上,由曝气盘向水面沿程增大,0.5h0、0.8h0处气泡云团平均宽度明显大于0.2h0处的宽度。不同水深处气泡云团的宽度随时间随机变化;0.8h0处气泡云团宽度随时间的变化最剧烈。气泡群的平均宽度随曝气量增大而增加,曝气量为0.25m3/h、1.0m3/h、2.0m3/h时,气泡云团的平均宽度分别为曝气盘直径的1.0~1.5倍、1.6~2.5倍和1.75~3.5倍。盘式曝气形成的气泡云团在水中可被划分为三个区域：底部的调整区、近自由面区和中部的紊动扩散区,不同区域内的气泡的受力和运动特性不同。气泡云团分区为气泡受力和运动的建模计算提供了依据。     

3D stability analysis method of concave slope based on the Bishop method

In order to study the stability control mechanism of a concave slope with circular landslide, and remove the influence of differences in shape on slope stability, the limit analysis method of a simplified Bishop method was employed. The sliding body was divided into strips in a three-dimensional model, and the lateral earth pressure was put into mechanical analysis and the three-dimensional stability analysis methods applicable for circular sliding in concave slope were deduced. Based on geometric structure and the geological parameters of a concave slope, the influence rule of curvature radius and the top and bottom arch height on the concave slope stability were analyzed. The results show that the stability coefficient decreases after growth, first in the transition stage of slope shape from flat to concave, and it has been confirmed that there is a best size to make the slope stability factor reach a maximum. By contrast with average slope, the stability of a concave slope features a smaller range of ascension with slope height increase, which indicates that the enhancing effect of a concave slope is apparent only with lower slope heights.