高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数值模拟分析

高坝明流泄洪洞的掺气减蚀问题倍受关注。以溪洛渡水电站3#泄洪洞为研究对象,结合大比尺单体模型试验成果,应用分段计算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值模拟分析。结果表明:泄洪洞各道掺气坎布置合理且有稳定掺气空腔,掺气坎体型基本合理,明流段洞顶余幅足够。泄洪洞反弧段及末端一段区域水力特性复杂,应重点关注此部位的设计及施工问题。对于高流速、大梯度泄洪洞水力学问题,采用分段计算能提高计算速度。

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。

掺气减蚀保护作用的新概念

利用针式掺气流速仪测量原型和模型掺气浓度场、流速场,气泡尺寸及其概率分布的研究成果表明,原型水流韦伯数高,形成微小气泡的能力比模型强,气泡上浮慢,接近底部的小尺寸气泡概率及掺气浓度比模型大。初步研究认为:0 2mm或0 5mm以下的微小气泡在掺气减蚀中起着主要作用,可能只要很小掺气浓度即可达到掺气减蚀的效果。因此以小尺寸气泡的掺气浓度,作为判断掺气减蚀保护作用的指标将更为准确。

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。

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。

大朝山水电站台阶溢流坝掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀的有关问题进行了分析研究。结果表明,利用堰面带小挑坎的宽尾墩过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题;同时也发现,由于缩尺效应问题的影响,现有减压试验方法和理论已不适应小比尺掺气水流的减蚀问题研究。

掺气减蚀研究的新方向

利用针式掺气流速仪测量掺气浓度场、流速场,气泡尺寸及其概率分布的研究成果表明,原型水流韦伯数高,形成微小气泡的能力比模型强,气泡上浮慢,接近底部的小尺寸气泡概率及掺气浓度比模型大.0.2mm或0.5mm以下的微小气泡可能在掺气减蚀中起着主要作用.完善掺气检测仪器,加强掺气水流中气泡尺寸及其概率分布的观测,比较不同气泡尺寸的掺气减蚀作用,建立多级气泡尺寸的掺气水流数学模型,是今后掺气减蚀研究的新方向.

龙抬头式泄洪洞反弧末端边墙掺气减蚀设施的研究

高水头龙抬头式明流泄洪洞发生空蚀的部位一般位于反弧末端下游边墙及底板上,因此研究该部位的掺气减蚀设施具有十分重要的应用价值。结合二滩水电站1号泄洪洞,研究了反弧段边墙掺气问题,基于掺气挑坎设计中应遵循的基本原则,提出了一种新型的斜侧收缩式掺气挑坎体形,并分析了影响侧收缩掺气挑坎挟气量及挑坎下游水流流态的因素。

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。

泄洪洞侧墙的人工强迫掺气减蚀研究

采用常见的底部掺气设施时,反弧段下游附近边墙仍存在较大范围的掺气盲区,从而反弧段下游边墙容易产生空蚀破坏。利用反弧段上游掺气坎空腔进行人工强迫通气的试验表明,增加反弧段前掺气坎的掺气能力,虽能一定程度减小反弧段下游边墙的清水区范围,但难以将其完全消除。反弧段下游边墙清水区直接强迫通气的试验表明,通过边墙通气孔进入水流的气体扩散范围很小,且由于沿边墙高度各点动水压力不一样,很难保障沿边墙高度掺气的均匀性;同时,强迫通气所需的动力设备功率很大。因此,在实际工程中采用人工强迫通气减免反弧段下游侧墙的空蚀难度很大。

小浪底工程明流洞掺气减蚀设计研究

小浪底枢纽明流洞水头高、流速大 ,存在空蚀的可能性。为了减免空蚀对建筑物的危害 ,根据类似工程的经验 ,结合小浪底工程明流洞的具体情况 ,采用了掺气减蚀措施。设计过程中对掺气坎的形式、布置、保护长度等进行了充分的论证 ,取得了很好的效果。

某水电站溢流坝陡槽高速泄流掺气减蚀试验研究

为有效解决陡槽高速泄流情况下的空化空蚀问题,借鉴二滩水电站#1泄洪洞掺气坎的修复经验,通过国内某溢流坝陡槽段大比尺模型试验,研究了底掺气设施有无加设侧掺气坎的掺气空腔长度、掺气浓度、通气量等参数与流速的关系。结果表明,泄水陡槽加设适宜的侧掺气坎后,未影响底空腔的长度,有助于形成稳定完整的底空腔和侧空腔,且使水体掺气浓度及通气量显著增加,不仅避免了陡槽侧墙空蚀的发生,还可加强过流底板的保护作用。

掺气减蚀减压模型相似律问题的探讨

通过大朝山水电站表孔减压水力学模型试验结果与原型资料对比分析,对掺气减蚀减压水力学模型与原型之间的相似律问题进行了研究。研究结果表明,传统水力学减压试验方法在掺气减蚀减压模型中,由于存在模型和原型之间掺气不相似、初生空化界限不明确等问题,致使模型水流空化特性试验结果与原型差异比较大,只有通过空化部位水流掺气相似得到的减压模型试验结果才能与原型空化达到基本相似的要求。

挑坎型掺气减蚀设施过流掺气特性研究

采用一维激光测速系统，对掺气减蚀工程中常用的直线型挑坎的流场特性进行试验研究．通过测量挑坎上及空腔区水流的流速分布及紊动特性，探讨通气量与紊动强度的关系．同时在深入研究流场特性和掺气机理的基础上，通过分析影响掺气的因素，从理论上探求临界掺气流速的计算，重点分析挑坎型掺气过流在空腔负压较大的情况下，临界掺气条件的理论预测，并通过试验资料验证了该计算方法．在此基础上，还进一步研究了掺气量的计算公式及其变化规律．

较缓底坡上掺气减蚀设施的研究

在较缓底坡上设置掺气减蚀设施的最大难题就是掺气坎后的空腔回水问题。空腔回水不仅影响掺气设施的掺气效果,而且还可能堵塞进气通道,使掺气设施失效。对此,国内学者已进行过很多研究,提出了凹形坎、凸形坎、V形坎等各种三维掺气坎体型,可以有效地减少空腔回水,改善通气效果,但是并不能完全消除空腔回水。金川水电站泄洪洞原设计底坡0.03,通过模型试验,最终采用一种底板下弯式掺气设施,可以形成稳定的掺气空腔,并能完全消除空腔回水,可供同类工程参考。

二滩水电站1号泄洪洞水力特性与掺气减蚀的三维数值模拟

基于VOF法和k-ε紊流模型,对二滩1#泄洪洞进行了全流道三维数值模拟计算,获得了泄洪洞的流场及速度场、压力分布、水相分布及空腔、流速矢量等水力特征参数。计算结果表明:在原有体型通气孔侧墙部位,水流掺气不充分,出现局部负压,是造成该部位发生空蚀破坏的主要原因。本文所采用的数值模拟模型计算可以成为研究泄洪洞水力特征和掺气减蚀的一种方法。

高压弧形闸门突扩跌坎式掺气减蚀应注意的问题

根据有关试验资料,分析研究探讨了高压弧形闸门突扩跌坎式通气减蚀设施的最佳体型.介绍了三峡工程深孔弧门突扩跌坎通气减蚀的试验研究,提出各种最佳掺气减蚀设施,供设计选择,确保工程安全运行.

长河坝水电站泄洪洞掺气减蚀设施设计

长河坝水电站3条泄洪洞水头高、流量大、流速高,泄洪洞空化空蚀问题突出,需设置掺气减蚀设施。结合水工模型试验,分析了泄洪洞空化特性,优化了掺气减蚀设施型式选择。流态及掺气效果分析表明,最终确定的方案能有效地防止或减少气蚀的破坏,掺气效果良好。

高水头泄水建筑物的掺气减蚀试验

通过模型试验，对某高水头泄水建筑物进行了深入的试验研究，提出采用掺气减蚀方案，并为该工程选择了合理型式、尺寸的掺气坎，并提出了合理的建议。

论掺气减蚀

根据国内外大量的工程实例,对掺气减蚀作用、掺气减蚀风险、"龙抬头"式泄洪洞反弧的掺气减蚀问题、掺气槽的数量及掺气槽的布置方法进行了广泛的讨论,得到几个实用性结论,供有关设计、科研人员参考。