掺气减蚀挑跌坎与水流紊动特性

本文应用二维激光测速装置测量孔口后明槽水流紊动特性（时均流速、纵向垂向脉动流速强度分布）及掺气减蚀挑跌坎对其产生的影响程度和范围。明槽水流趋于稳定断面的平均相对纵向脉动流速强度σ↑－ｘ／ｕ↑－ｘ为０．０７，相对垂向脉动流速强度σ↑－ｙ／ｕ↑－ｘ约０．０３４，与其他条件下的测量结果一致；掺气减蚀设施会使时均流速减小，而纵向脉动流速强度和垂向脉动流速强度则会明显增强。但掺气设施对水流紊动特性的影响是沿     

窄缝挑坎水面线及水舌挑距的试验研究

考虑到窄缝收缩段的急流水力特性,在试验分析的基础上,提出了计算窄缝挑坎水面线的简化方法。同时通过对窄缝挑坎射流特性的分析,本文给出了确定窄缝挑流水舌挑距的估算方法。     

大型“龙抬头”明流泄洪洞小底坡掺气减蚀设施的选型研究

本文介绍“龙抬头”式明流泄洪洞掺气减蚀的试验成果。推荐一种适用于高流速、大单宽流量、小底坡明流泄洪洞的新颖U型槽式掺气坎。同时根据水力模型试验和原型观测资料,及前人研究成果综合分析,对掺气减蚀设施的选型提出了设计原则和意向性意见。     

扭曲鼻坎对泄洪洞挑流消能的影响研究

针对某泄洪洞挑流水舌对下游河道产生不利影响等问题,开展了基于扭曲鼻坎调整射流方向的水力模拟试验研究。通过对几种扭曲鼻坎的优化研究,发现采用降低挑坎高程的大转角贴坡扭曲鼻坎布置,可以合理调整水舌方向,理顺下游河道形态,消除了右岸涌浪和边岸淘刷威胁,同时又解决了泄洪洞过渡期洞内水跃闷顶问题。研究成果对泄洪洞出流的消能防冲设计有一定的借鉴意义。     

前置掺气坎高度对阶梯溢流坝水力特性的影响

将掺气坎设置于阶梯溢流坝闸墩出口处,有利于阶梯掺气,避免阶梯空蚀空化。通过1∶25模型试验,在宽尾墩阶梯溢流坝上设置不同体形的前置掺气坎,研究了掺气坎高度变化对坎后有效空腔长度、空腔最大高度、下游坝面掺气浓度沿程分布、水舌冲击力大小的影响,并与未设掺气坎体形时对应的水力学参数进行了对比分析。结果表明:与未设掺气坎相比,增设掺气坎后阶梯沿程掺气浓度增长明显;有效空腔长度随坎高的增大而增大,空腔最大高度随坎高的增加无明显变化;随着坎高增加,水舌冲击力相应增加,对于53°的溢流坝面,坎高超过1.2 m后,水舌冲击压强将大于20×9.8 kPa。     

泄洪洞窄缝燕尾组合挑坎试验研究

采用物理模型试验的方法,在综合考虑燕尾挑坎、窄缝挑坎2种消能工各自特点的基础上,针对长河坝水电站2^#泄洪洞挑流水舌所必须达到的挑射效果,进行了窄缝燕尾新型组合挑坎的试验研究。从挑坎内部水流流态、出挑水舌形态以及下游消能防冲效果3个方面进行了燕尾挑坎、窄缝挑坎以及新型组合挑坎之间的对比试验。研究结果表明新型的组合体型兼有燕尾挑坎与窄缝挑坎的优点,它在改善坎内水流流态、水舌形态、减轻下游河道冲刷方面起到了重要作用,同时也满足2^#泄洪洞出挑水舌的限制要求。试验的研究成果可供类似工程参考。     

溢洪道掺气设施和挑坎体型模型试验

对拟建的LZP水库溢洪道进行水工模型试验研究,结果表明:原方案中掺气槽的设计位置不佳,致使水流无法进行充分调整、掺气保护长度不能被充分利用;原设计挑坎体型欠妥,由于溢洪道出口位置河道狭窄且溢洪道轴线与河道夹角过大,出射水舌对河道右岸有严重冲刷现象。针对以上工程问题,提出上移掺气槽与底板镂空异形挑坎两个方案,并分别进行优化试验,研究结果证明:底板镂空异形挑坎方案对出射水舌的纵向拉伸效果较好,避开了右岸边坡且水流流态也更趋稳定;调整后的掺气槽布置位置合适,空腔形成良好,能够充分发挥功效。     

兼使水流转向的非对称窄缝挑坎

讨论了兼有水流转向功能的一级非对称直线边壁窄缝的设计方法与水力特性，两边墙转向角之差即为水流转向角，两边墙转角相等时出口水流的水深和佛汝德数也分别相等。按在窄缝出口前形成完整幅射流的条件，讨论了兼有转向功能的非对称曲线边墙窄缝的设计方法与水力特性。比较了六种体型(三种对称、三种非对称)窄缝在八种工况对泄槽底板的冲击压强，实测结果表明，非对称性越强冲击压强越小。     

挑流反弧段水流掺气浓度的试验研究

通过泄槽水力学模型试验,研究了溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物挑流反弧段掺气浓度的沿程变化规律;分析反弧段掺气浓度分布与挑坎高度、挑流段反弧半径以及来流流量之间的关系,以期为优化掺气坎体型及掺气坎下游设施提供依据。试验结果表明,挑流反弧段水流表、中、底不同部位掺气浓度的沿程衰减率是不相同的;在试验范围内,挑流反弧段水流掺气浓度随掺气坎高和反弧半径的增大而增大,随流量的增加而减小。     

高重力坝挑坎体型及水力特性对比

基于水工模型试验方法,利用几何比尺为60的黄河古贤水利枢纽水工模型,研究了连续式、窄缝式、差动式、燕尾式、直边窄缝燕尾式及曲面窄缝燕尾式共6种体型挑坎的水舌特性及水垫塘底板的压强特性。结果表明:连续式挑坎水舌呈连续且集中的形态;当挑角为30°时,窄缝式挑坎并未呈现纵向拉伸的水舌形态,内外缘挑距大,入水宽度小,冲击压强与脉动强度较大;差动式挑坎水舌呈现分层分股的形态特征,入水宽度变大,冲击压强与脉动强度减小;燕尾式挑坎水舌纵向呈扫帚状,水舌面积增大,在空中扩散、掺气、摩擦消散充分,入水宽度大大增加,沿程时均压强未出现冲击压强且脉动强度最大值比连续式、窄缝式及差动式挑坎分别降低59.5%、69.8%和39.4%;曲面窄缝燕尾式挑坎横向收缩与纵向拉伸效果比直边窄缝燕尾式挑坎好,且横向收缩有利于近坝区水体紊动及削弱二道坝区水体紊动;燕尾式挑坎有利于水垫塘底板稳定和下游消能防冲,对于类似高重力坝挑坎体型选择具有一定参考价值。     

溢洪道差动式挑坎水力特性分析和计算探讨

溢洪道差动式挑流鼻坎可增大其挑射水舌的扩散、碰撞、掺气和消能率,从而减轻下游河床的冲刷。目前对差动式挑坎水力特性研究成果仍较少,给工程设计带来极为不便。在现有的文献和成果总结和分析的基础上,开展了差动式挑坎下游河床冲刷特性的试验研究,对差动式挑坎段的水面线、挑射水舌挑距及其下游河床冲刷特性和计算方法进行探讨,并进一步补充了差动式挑坎下游冲刷影响系数与其体型和泄流水力参数的关系。研究成果与水力模型试验结果较吻合,可供类似工程设计和运行参考。     

明流泄洪洞掺气减蚀设施优化试验研究

通过水工常压模型试验，对高水头、大单宽流量、小底坡龙抬头式明流泄洪洞掺气坎进行了系统的试验研究及优化试验，提出了一种新型的V形掺气挑坎。该掺气坎的空腔长度沿水流的横断面方向是连续变化的，射流挑距两边长、中间短，尽管最小空腔的长度可能已小于临界值，但由于最大空腔长度仍远大于临界值，在其作用下，便可使回流退去，空腔恢复，保证一定的通气量。这对类似工程掺气设施的合理设计有十分重要的参考意义。     

带掺气槽岸边溢洪道挑流消能工水力特性

采用RNGk-ε双方程紊流模型对掺气槽、差动式挑流鼻坎和预挖坑联合运行的岸边溢洪道水流流场进行研究,模拟了具有大曲率水气交界面的挑射水舌和掺气坎水流,分析讨论泄槽流态、掺气槽底板最大冲击压力和差动式挑坎压力分布,给出了挑射水舌以及预挖坑的水流结构与速度分布特性,并将计算值与实验值进行对比,两者吻合良好。研究结果表明:泄槽中4道掺气槽的设置能有效减免发生空蚀破坏,但对泄槽中水面有一定的影响;高扩散低收缩差动式挑流鼻坎与预挖坑的联合运用消能效果理想。     

苗家坝水电站溢洪洞掺气设施的试验研究

针对溢洪洞掺气槽的位置、体型以及渐变段的体型进行了5个大方案的试验研究和论证分析,提出的推荐方案具有流态好、便于施工、空腔水舌稳定、掺气槽内无积水及掺气浓度较大等优点,解决了溢洪洞的掺气问题,满足了设计要求.     

河口村水库泄洪洞水力学关键问题研究

通过单体水工模型试验,研究河口村水库高流速泄洪洞的掺气减蚀措施,优化泄洪洞体型。结果表明:1#泄洪洞弧门后突扩突跌掺气体型合理,能形成稳定空腔,达到掺气减蚀目的;2#泄洪洞龙抬头末端突扩突跌掺气效果好,从洞身水面以上取气能满足掺气需求;2#泄洪洞鼻坎顶高程决定了其运行范围及方式,可低于下游最高洪水位。     

阶梯溢流坝自由表面掺气特性数值模拟

阶梯溢流坝作为泄水建筑物早已出现。实践发现，经过阶梯溢流坝的水流可以大量卷吸空气，从而增大水体的含氧量。因此可以利用它作为水体复氧、改善水质的措施。但对于阶梯溢流坝复氧能力的理论分析至今尚未见报道。本文引入水气两相流模型，用k-e紊流数学模型模拟计算了阶梯溢流坝自由表面掺气的特征量。计算结果与试验资料进行了对比，结果表明，计算值与实测值吻合良好。可以认为本文的数值模拟方法是可行的。这将为阶梯溢流坝复氧能力计算以及从理论上得到阶梯溢流坝的最佳布置形式提供理论基础。     

大型泄洪洞高速水流的研究进展及风险分析

高水头、大流量泄洪洞内高速水流问题主要问题之一是水流空化引起过流表面空蚀。几个实际工程泄洪洞发生空蚀破坏的实例表明反弧段下游一定范围是容易发生空化空蚀的敏感部位,其主要原因是由于反弧段内的水流流速高,流态复杂,在水流离心力的作用下沿程压力梯度大,水流掺气条件差,缺乏有效的掺气保护。掺气减蚀是解决泄洪洞过流表面空蚀的有效措施,对水流进行三维掺气的减蚀技术有了较大进展。“龙落尾”式和 “龙抬头”式是高水头、大流量泄洪洞的两种常用布置型式,风险分析认为“龙落尾”式泄洪洞布置对地形地质的适应性更好,即使发生事故对大坝的安全威胁小,也更具有抗风险的能力。     

溢洪道阶梯陡槽段水面掺气位置试验与计算探讨

外凸型阶梯式消能工是应用于溢洪道陡槽段上的一种新型的辅助消能工。目前溢洪道陡槽段外凸型阶梯式消能工已在水利工程中得到了应用,但对此类型阶梯式消能工水力特性的研究成果仍较少。本文在5种坡度比和不同阶梯体型(包括阶梯高度、阶梯间距等参数)的阶梯陡槽溢洪道水力模型试验研究的基础上,对溢洪道阶梯陡槽段水力特性进行研究探讨,分析了陡槽段坡度比、阶梯跌坎体型参数等对溢洪道陡槽段泄流流态的影响,并将阶梯陡槽段泄流分为光滑水流区和掺气水流区两部分,提出了外凸型阶梯陡槽段水面掺气断面位置和水深的计算公式。本文研究成果可为溢洪道阶梯陡槽段沿程水面线和消能计算提供参考。     

尾坎位置对坎式阶梯溢洪道水力特性影响研究

〗坎式阶梯溢洪道具有较高的掺气效率,然而目前为止对其详细流场结构以及消能特性开展的研究尚不多见。为此结合VOF法,采用标准k-ε紊流模型对带尾坎的阶梯溢洪道进行了三维数值模拟,研究了不同尾坎位置对其水力特性的影响。结果表明：随着尾坎向上游移动,水面线和尾坎下游侧的旋涡大小均无明显变化,但尾坎上游侧的旋涡尺度逐渐减小;对于不同体型,同一台阶凸角上流速呈先增加后不变的规律,而对于同一体型,下游台阶凸角上流速大于上游的;台阶水平面上最大压强先增加后不变,台阶竖直面上最小压强逐渐减小,而尾坎下游侧竖直面上最小压强则呈增加的趋势;台阶面上最大紊动能耗散率逐渐增加,而尾坎上的则相反,总的消能率变化甚微。     

曝气池内气液混合液两相流力学特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉多相流模型和标准k-ε湍流模型对曝气池内气液两相流力学特性进行数值模拟研究。速度与压力的耦合求解采用了Phase-Coupled-SIMPLE算法。对中心截面(y=0.025 m)在(z=0.71 m)测线上垂向速度的模拟值与实验值进行比较分析,结果吻合较好。结果表明:当表观气速较小时,进口气速对曝气池上方混合液的垂向速度影响较小;当表观气速较大时,整个曝气池中心截面(y=0.025 m)呈现中心垂向速度大,靠近两侧边壁的垂向速度小,且为负值的规律。并且发现气泡在上升的过程中由于附壁效应容易产生摆动,表观气速越大,附壁效应越明显。通过对曝气池内不同气体速度下池内力学特性的分析研究,以期对曝气池的设计运行提供参考。