大坡降旋流复合内消能泄洪洞水力特性研究

旋流复合式内消能泄洪洞利用在旋流洞末端设置旋流阻塞与旋流扩散段,连接旋流洞和原导流洞,达到旋流洞内增压、减速、防空蚀,旋流洞段与旋流扩散段分段消能,提高作用水头和增大消能率的目的。采用Realizablek-ε紊流模型,结合模型试验对大坡降旋流复合内消能泄洪洞的水力特性进行了对比研究。结果表明,Realizable k-ε紊流模型和VOF法可以较好地模拟大坡降旋流复合内消能泄洪洞的各种水力特性,数值模拟与试验观测的流态和其他水力特性基本一致,且数值模拟还得到压强沿径向的分布规律、轴向流速和切向流速沿程与沿径向的分布规律及紊动能和耗散率沿程与沿径向的分布规律,弥补了模型试验无法对以上水力特性进行直接量测的不足。

阻塞式复合内消能泄洪洞强剪切水气两相流的水力特性研究

为了揭示复合内消能泄洪洞空腔旋流在经过阻塞和扩散后形成的旋转扩散强剪切水气两相流的水力特性,采用Realizableκ-ε紊流模型和VOF法结合模型试验结果对强剪切水气两相流的水力特性进行研究。结果表明,强剪切水气两相流在洞内形成了一种快速贴壁面流动的水流保护层,防止空蚀空化;压强沿程先增大后减小,且随过流断面增大,最大负压由洞中心向洞底偏移;洞内流速沿程呈波动式减小,洞底与洞顶流速呈反对称变化;紊动能和耗散率沿程先增大后减小,且水气混掺越剧烈紊动能和耗散率变化越大。可见强剪切水气两相流对内消能泄洪洞起到了较好的保护和消能作用。

旋流阻塞与旋流扩散复合式内消能泄洪洞的水力设计

结合雅砻江两河口水电站后期3#导流洞和大渡河猴子岩1#导流洞的改建,在研究旋流阻塞和旋流扩散复合消能泄洪洞的水力特性基础上,对该类型复合式旋流内消能泄洪洞的设计原理与方法进行研究探讨,和开敞式进口、起旋器、阻塞与旋流渐变扩散段的体型进行了设计与计算,为1000 m3/s以上泄流量、150 m作用水头量级的导流洞改建为旋流内消能泄洪洞工程水力设计提供参考。

泄洪洞内具有阻塞与扩散段的水平旋流消能方式水力特性的试验与数值模拟(1)

本文采用Realizable k-ε双方程紊流模型和VOF法,并结合模型试验,对一种新型的水平旋流复合式内消能泄洪洞的流态及水力特性进行了分析。结果表明:旋流洞段为空腔直径沿程变化的旋流,扩散段为气水混掺的旋转两相流;空腔直径沿程表现出分段变化的特点,在起旋室内与阻塞扩散段变化较大,在旋流洞段变化较平缓;旋流洞段壁面压强整体较大,但在旋流阻塞段迅速降低;旋流空腔负压沿程增大并在旋流阻塞起始点达到最大;旋流洞段发生空化空蚀可能性较小,而扩散段末端有出现空化空蚀的可能性,需加强结构设计或采用超空化体型。旋流阻塞的设置增大了旋流洞壁面压强,减小了空化空蚀的可能性。

泄洪洞内具有阻塞与扩散段的水平旋流消能方式水力特性的试验与数值模拟(2)

本文采用Realizable k-ε双方程紊流模型和VOF法,并结合模型试验,对水平旋流复合式内消能泄洪洞的流速分布、旋流角、湍动能、耗散率、以及消能率进行了分析和计算。结果表明:起旋室段存在径向速度,切向入流条件较差;轴向流速沿径向呈对称分布,最大值靠近洞壁;切向流速沿径向呈反对称分布,最大值靠近气水交界面,可视为组合涡分布;旋流角在起旋室段与阻塞扩散段变化较大,中间旋流洞段变化较平缓;紊动能、耗散率在起旋室出口附近及阻塞扩散段较大;计算总消能率约为83%,其中竖井段、旋流洞段和阻塞扩散段各占4.58%、28.45%和49.51%。旋流阻塞的设置不仅减小了旋流洞内发生空化空蚀的可能性,而且增大了洞内消能率,提高了适用水头。