前置掺气坎式阶梯溢洪道掺气水深及消能率的计算

在前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性、消能特性、掺气效果、抗空蚀特性研究的基础上,运用动量矩方程推导出阶梯溢洪道形成均匀流时的掺气水深和消能率计算公式,建立了不同单宽流量下掺气水深与阶梯尺寸之间的关系以及阶梯尺寸、阶数与消能率的定量关系。研究表明,前置掺气坎式阶梯溢洪道具有掺气量与掺气浓度宜于控制,底部掺气充分,抗空蚀性能优越,消能率高,适宜于大单宽流量溢洪道等显著特点,可作为进一步推广应用阶梯式溢洪道的理论和试验基础。研究成果得到模型试验的验证并应用于实际工程中。

前置掺气坎阶梯溢洪道近壁掺气特性

为更清楚地认识前置掺气坎阶梯溢洪道近壁面沿程掺气规律,对其掺气特性进行了研究,得到了在不同坡度、单宽流量、台阶体型条件下阶梯竖直面和水平面近壁处掺气浓度沿程分布规律,并与不设前置掺气坎但设置过渡阶梯溢洪道的掺气规律进行了对比分析。研究表明:前置掺气坎式阶梯溢洪道中阶梯水平面与竖直面掺气浓度沿程的分布规律相似,受前置掺气坎的帮助,掺气浓度很高,沿程逐渐减小,达到一定距离后趋于稳定;掺气浓度随单宽流量的增大而减小,随坡度的减缓而减小;前置掺气坎克服了过渡阶梯存在前几级的底部清水区的缺陷,能够用于更大单宽流量。

前置掺气坎式阶梯溢洪道体型布置优化试验研究

对光滑溢洪道、阶梯溢洪道和前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性进行了对比研究。针对阶梯式溢洪道工作水头很高,单宽流量超过50 m^3/s的工程中尚没有成功应用实例的难题,提出采用前置掺气坎式阶梯溢洪道即能保持阶梯溢洪道的较大消能率,又能通过控制掺气浓度保护台阶表面避免发生空蚀破坏,较好的解决了溢洪道体型优化和下游消能防冲问题。对前置掺气坎式阶梯溢洪道水力特性、消能特性、掺气效果、抗空蚀特性进行分析和研究,成果表明,通过掺气坎和台阶的体型优化,各级流量的消能率均达到70%左右,尽管台阶后负压达-2.3 kPa量级,实测溢洪道台阶竖直面后的掺气浓度沿程分布均大于5%,与传统阶梯式溢洪道相比,抗空蚀性能明显提高,与光滑溢洪道相比,消能率提高2-4倍,消能效果良好。

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,通过对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。

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。

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。

前置掺气坎坡度对阶梯溢洪道掺气水流影响的数值模拟

为研究复杂边界条件下气液两相界面的流动及混掺现象对工程建设的影响,结合某大型水电站的溢洪道,利用RNG k-ε模型对其进行三维流场模拟,采用有限体积法离散控制方程,并用GMRES算法进行压力求解,对前置掺气坎式阶梯溢洪道和传统阶梯溢洪道泄流壁面上的高速掺气水流进行数值模拟。结果表明:随着掺气坎坡度的增加,其掺气空腔及掺气浓度均有所增大,随着水流下泄掺气浓度沿程降低,达到一定距离后趋于稳定,掺气浓度值达到了减免空蚀破坏的要求;与传统阶梯溢洪道的模拟结果进行对比可知,增设前置掺气坎后,既可以增加前几级阶梯的掺气浓度使水流提前达到水气平衡,也没有降低阶梯式溢洪道的消能率,为解决传统阶梯溢洪道中出现的工程难题提供了一种新思路。

前置掺气坎对弯道急流横向超高影响的数模研究

通过对比分析,前置掺气坎对弯道横向超高的沿程波状分布规律基本无影响;前置掺气坎可以降低弯道急流的横向超高,弯道半径越小,前置掺气坎对弯道急流横向超高的整体改进作用越显著;掺气坎对同一弯道横向超高的整体改进作用还受流量的影响。

不同挑坎下首级台阶角度对阶梯溢流坝面掺气影响研究

前置掺气坎与首级阶梯对阶梯溢流坝的掺气消能有着重要的影响作用,该文以水工模型试验为依托,结合某水电站,确定模型几何比尺为Lr=60。通过对Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的联合消能工过渡阶梯上首级台阶台面上挑5°、10°及15°和前置掺气坎角度取8°和10°,共六种组合方案分别进行了水工模型试验。并从空腔长度、掺气浓度、台阶负压、底板时均压力和消能率等各个方面,寻找能改善掺气特性的过渡台阶衔接体型。结果表明:随着前置掺气坎角度增大,首级台面角增加不超过10°时,阶梯溢流坝面上底空腔长度和掺气浓度逐渐增大,负压减小,可有效保护阶梯,防止空蚀破坏。且流速减小,压强增大,消能率也随之略有增长,更利于对下游的保护作用。故前置掺气坎为10°,首级台阶台面角为10°时即方案五为最优组合方案。

某水库岸边溢洪道体型优化试验研究

结合某中低水头水库工程的岸边溢洪道,以水流流态衔接、减小消力池规模为控制指标,采用物理模型试验比较了采用"光滑溢洪道+底流消力池"与"前置掺气坎式阶梯溢洪道+底流消力池"两种消能方案的优劣,对不同布置方案在不同运行工况下的水流流态、入池流速与消能率等水力学指标进行详细对比分析。研究成果表明:采用前置掺气坎式阶梯溢洪道后,消力池长度能缩短57.1%,入池流速减小最大达51.18%,综合消能率大于84%。同时,前置掺气坎式阶梯溢洪道使阶梯泄槽内掺气更充分,继而可减小发生空蚀破坏的可能性。研究成果可为类似工程设计提供一定的参考。

大流速、高弗劳德数弯道水流流态控制研究

为研究大流速、高弗劳德数条件下弯道水流的水力特性,以某水利工程为例,提出采用"前置掺气坎+渠底局部超高+阶梯"相结合的弯道水流控制新技术。试验结果表明,采用该技术后弯道段水流流态良好、横向水深和流速分布较均匀、弯道段沿程流速增加较小、弯道后水流衔接平顺,各项水力指标均满足工程应用要求。研究成果对类似工程提供参考和指导。

阶梯溢流坝在左柏水库中的应用试验研究

通过水工模型试验,对左柏水库工程阶梯溢流坝水力特性进行了研究和分析。试验结果表明,阶梯溢流坝设置前置掺气坎后,起始阶梯上的掺气较充分,消除了起始阶梯面上的空蚀风险;单宽流量越大,阶梯上水流形成均匀流的流程越长;阶梯溢流坝的消能率随单宽流量的增加而减小;阶梯溢流坝体形下,下游消力池规模相比光滑溢流坝减小28.7%。试验获得的阶梯段均匀流水深、流速与相应单宽流量计算经验公式可为实际工程下游消力池设计提供参考,试验研究体形适用于单宽流量较小且坝高大于60 m的水利工程。

挑坎+过渡阶梯的组合设施对一体化消能工的影响研究

为更清楚地认识前置掺气坎与过渡阶梯组合掺气设施对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工的影响研究,该文对其空腔个数、掺气特性、时均压强和消能率进行了分析研究,得到了不同掺气坎角度对该消能工的影响规律,并与不设前置掺气坎但设置过渡阶梯及不设前置掺气坎和过渡阶梯的一体化消能工的影响规律进行了对比分析。研究表明:随着掺气角度增大,空腔个数增多,掺气也越充分,消能率也在增长,但差异不大;5种方案的掺气浓度、时均压强变化规律基本相似,但前4种方案在过渡台阶段掺气浓度呈下降趋势,未设掺气挑坎的方案四和方案五时均压强在桩号0+44.53m处比较大,而设有挑坎体型的台阶段在0+44.53m处均比较小;设有前置掺气坎的3种方案在第一台阶水平面无负压产生;5种方案均在第二台阶立面凸角上缘出现最大负压,其中方案五的最大负压最大,为-0.36kPa,方案三的最大负压最小,为-0.091kpa,方案一的最大负压为-0.143kpa,方案二的最大负压为-0.117kpa,方案四的最大负压为-0.33kpa。该组合掺气体型对类似工程提供了借鉴依据。