X型宽尾墩阶梯掺气空腔影响因素分析

X型宽尾墩+阶梯联合消能工已被应用于实际工程。当第一级阶梯高于其它阶梯时,水舌底部与阶梯之间存在气腔,从而水流底部实现掺气,在单宽流量超过30 m3/(s.m)时阶梯可避免空蚀危害。研究了气腔尺度与堰上水头、堰顶至宽尾墩出口高程差、挑坎高度、堰面末端坡度、阶梯坡度之间的关系,并导出气腔长度的计算公式,计算结果与模拟及试验数据比较吻合。研究结果表明,除了水力要素外,阶梯坡度、堰面末端坡度与挑坎高度是气腔形成的关键原因,也是影响气腔大小的主要因素。

掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气空腔的影响

在宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工中利用前置掺气坎连接WES曲面与阶梯溢流坝,能有效增加阶梯面掺气,避免阶梯遭受空化空蚀破坏。主要引用水气两相流VOF方法的RNG k-ε模型,采用几何重建方式对水气面附近进行插值以及利用PISO算法和非定常流算法进行数值模拟,模拟前置掺气坎角度8°,10°和11.3°时阶梯溢流坝上坎后掺气空腔长度及阶梯面压力分布,模拟范围从库区至消力池尾部。为验证模拟计算的可靠性,对阶梯溢流坝坎后掺气空腔进行模型试验,通过坎后空腔长度模拟值与实测值的对比分析,发现两者吻合较好,最大偏差为7.9%。模拟结果表明,掺气空腔长度随前置掺气坎角度的增加而增加,阶梯近壁面最大负压绝对值及压力随前置掺气坎角度的增加而增加且负压分布范围逐渐扩大。

非对称Y型宽尾墩体型对阶梯掺气空腔长度及负压的影响研究

为了研究Y型非对称宽尾墩体型对阶梯掺气空腔长度和空腔负压的影响,本文采用水气两相流VOF方法的三维RNG k-ε紊流模型,利用几何重建格式进行水气面附近的插值,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,用非定常流算法逼近定常流的稳定解,对宽尾墩收缩比分别为0.598、0.497和0.445的Y型非对称宽尾墩＋阶梯溢流坝＋消力池的阶梯掺气空腔长度和阶梯压力分布进行了数值模拟,模拟范围从上游库区至下游消力池尾坎。并对阶梯掺气空腔长度进行实验,将所得实验结果与模拟结果进行对比,发现计算阶梯掺气空腔长度与实测空腔长度基本吻合,最大误差为9.7%。模拟结果显示,随着非对称宽尾墩收缩比减小,阶梯掺气空腔长度逐渐增大,且侧收缩角较大一侧的空腔长度是侧收缩角较小一侧空腔长度的4~5倍。空腔负压随收缩比减小而减少,但阶梯负压分布范围逐渐扩大,各级阶梯外边缘均出现负压,空腔内最大负压出现在首级阶梯垂直固壁面上。

宽尾墩体型对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式中阶梯掺气空腔长度及负压影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式在我国得到了广泛的应用,其中宽尾墩体型参数主要是收缩比。本文采用水气两相流VOF方法的三维RNG k-?紊流模型,利用几何重建格式进行水气面附近的插值,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,用非定常流算法逼近定常流的稳定解,对宽尾墩收缩比?分别为0.7、0.445和0.4的Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的阶梯掺气空腔长度和负压进行了数值模拟,模拟范围从上游库区至下游消力池尾坎。并对阶梯掺气空腔长度进行实验,通过实验和模拟结果的对比分析,阶梯掺气空腔长度与实测空腔长度基本吻合,最大误差为10.0%。因此该数值模拟具有一定的合理性和可靠性。模拟结果显示,掺气空腔长度随收缩比?减小而增大,阶梯最大负压随宽尾墩收缩比?的减小而减少,但阶梯负压分布范围逐渐扩大。

阶梯坝面坡度对阶梯面掺气特性及负压影响试验研究

为探求高水头、大单宽流量下阶梯坝面坡度对宽尾墩—阶梯溢流坝—消力池一体化联合消能方式的阶梯面掺气特性及负压的影响,以阿海水电站为原型,采用速度比尺和长度比尺分别建立运输方程,引入水气两相流VOF和三维RNG紊流模型.利用几何重建格式来迭代生成自由水面,对51.34°,53.13°,56.98°这3种阶梯面坡度进行数值模拟研究.研究结果表明,坡度增加,阶梯面掺气空腔长度先增加后减小;当坡度为53.13°时,阶梯面掺气空腔长度最长,为7.5m.阶梯面掺气浓度变化与掺气空腔长度变化规律一致,坡度增加,阶梯面掺气浓度先增加后降低,各方案空腔段后掺气浓度均存在小于阶梯面最低保护掺气浓度3%,此掺气浓度下阶梯面会发生空蚀破坏.阶梯面负压呈双峰分布,最大负压峰值出现在第2峰值处,负压双峰值随坡度增加而增大,当坡度为56.98°时,负压最大,值为-42.34kPa.

过渡阶梯台阶尺寸对一体化联合消能工坝面掺气及负压特性的影响研究

基于阿海水电站一体化联合消能工,采用三维数值模拟探讨过渡阶梯不同台阶尺寸对一体化联合消能工坝面掺气及负压特性的影响。结果表明,随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,阶梯坝面掺气空腔长度、掺气空腔面积和沿程掺气浓度逐渐增大;坝面最小掺气空腔不在水舌对称中心剖面,而在每股对冲水流的中心剖面处产生。当过渡阶梯台阶尺寸较小时,负压等值线分布在过渡阶梯的前几级台阶,随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,负压等值线均分布在过渡阶梯的首级台阶内;首级台阶竖直壁面上边缘水气掺混区压强变化梯度最大;增大或减小过渡阶梯台阶尺寸,均有助于减小阶梯溢流坝面负压。故适当增大过渡阶梯台阶尺寸,既有助于提高坝面掺气效果,又可以减小坝面负压从而有效避免空蚀空化破坏。

首级过渡阶梯掺气面积对联合消能工的影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能工在高水头泄水建筑物中具有较多的应用,但近年来发现,前几级阶梯面上存在较为严重的空化空蚀问题,因此阶梯面上的掺气则变得尤为重要。首级过渡阶梯的掺气面积对联合消能工的阶梯面掺气效果明显,通过水工模型试验,以阿海水电站为原型,使用四组不同掺气面积的首级过渡阶梯进行研究,现得出如下结论:首级过渡阶梯的掺气面积与掺气空腔长度呈正比,且对掺气减蚀起促进作用;首级过渡阶梯的掺气面积越大,阶梯面上的掺气量越大,阶梯面卷吸气体及减蚀越明显。

过渡阶梯不同台阶组合对坝面掺气特性的影响研究

宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能工在宣泄高水头大单宽流量时,阶梯溢流坝面往往因掺气不足而引起坝面产生空蚀空化破坏,基于阿海电站一体化联合消能工,采用三维数值模拟研究不同台阶组合的过渡阶梯对一体化联合消能工坝面掺气特性的影响。结果表明,增设过渡阶梯既有助于增大坝面掺气空腔长度,又可有效增大坝面掺气空腔面积,其中增设首级过渡台阶对增大坝面掺气空腔最为明显,增加过渡阶梯台阶数量可适当增大坝面掺气空腔面积,而对坝面掺气空腔长度影响较小;坝面掺气空腔沿水舌两边缘向中心剖面先迅速减小,然后略有增大,最小掺气空腔在水舍底部每股对冲水流的中心剖面处产生。坝面沿程掺气浓度总体呈减小趋势,但波动较大,其中不设过渡阶梯方案沿程掺气浓度最小值为1%,明显较设过渡阶梯方案为小,不能有效减免坝面产生空蚀空化破坏,其中增设首级过渡台阶对增大阶梯坝面掺气浓度最为明显,增加过渡阶梯台阶数量可适当增大阶梯坝面掺气浓度。

某抽水蓄能电站放空洞掺气减蚀试验研究

某抽水蓄能电站放空洞采有压隧洞接无压隧洞的型式,无压隧洞陡坡段的水流流速接近40m/s,存在高速水流空蚀破坏的风险。根据规范要求[1],应设置掺气减蚀设施,以保障放空洞的运行安全。试验以水工单体模型为依托,对有压隧洞的出口体型进行了优化,改善了洞内水流流态。通过掺气减蚀试验研究,确定了掺气设施的设置位置、设置数量及体型,为放空洞的设计选型提供了依据。

泄洪洞变底坡掺气坎掺气特性研究

针对高水头小底坡泄洪洞采用常规挑(跌)坎存在的空腔回水现象严重、稳定性差、水头变幅适应性差等问题,通过模型试验的方法,结合如美水电站放空洞,对“挑坎+平缓坡+陡坡”的变底坡形式掺气坎进行系统研究,揭示了变底坡掺气坎各部位(挑(跌)坎、平缓坡段以及陡坡段)对掺气空腔的影响机理。结果表明:在水位大幅变化过程中,变底坡掺气坎对应的空腔充满回水的临界水头值为73.5 m,比常规掺气坎提高了29.4 m。研究结果可为高水头小底坡泄洪洞的掺气设施布置提供参考。

溢洪道掺气坎槽后掺气水流三维数值模拟研究

高速水流泄水建筑物的某些过流部位常常发生严重的空蚀破坏,掺气减蚀是防止溢洪道空蚀破坏的重要措施。本文采用k-ε混合湍流模型封闭雷诺应力方程,利用双流体欧拉法处理自由表面及相间的相互作用,在相间作用力本构方程的构建上考虑了湍流扩散的影响,对溢洪道掺气挑坎掺气水流进行水气两相流三维数值模拟研究。研究了溢洪道沿程及断面的掺气浓度分布规律、掺气空腔特性、单宽掺气量和水面线等,探讨了掺气坎坎高、坡度、来流流速与掺气量的关系。数值模拟结果与物理模型试验结果吻合较好,验证了双流体欧拉法研究溢洪道掺气水流的可行性。研究成果为类似工程设计提供参考依据。

小底坡泄洪洞突扩突跌掺气坎水力特性

小底坡条件下,在高水头有压弧形门后采用突扩突跌体型兼作掺气措施使用时,掺气空腔容易积水,而且主流水舌受侧墙挤压后越出水面,形成较高折冲水翅现象。采用流动特征分析与模型试验相结合的方法,认为空腔积水及折冲水翅的主要原因是两个"积水源"和一个"退水机制",强调了使射流冲击角最小化对空腔稳定及消除水翅问题起关键作用。在试验结构优化及对比分析的基础上,给出一种局部变坡消退空腔积水及改善折冲水翅的方法,同时探讨了底空腔及侧空腔的相互关系以及掺气效果的影响因素。结合具体工程,验证了优化体型沿程掺气浓度及对运行水头的适应能力。

基于正交设计的组合型式阶梯掺气特性分析

为探讨防止阶梯处空蚀空化破坏的措施,通过极差和方差等正交设计方法,对9种"大阶梯+凸起型阶梯"组合型式阶梯水工模型试验的掺气空腔长度、掺气浓度以及负压等测量结果进行正交试验设计分析,结果发现:过渡阶梯段凸起型阶梯的数量对阶梯溢流坝面掺气的影响程度高于凸起型阶梯尺寸;掺气空腔长度、掺气浓度及负压与凸起型阶梯数量的关系不呈线性分布,过渡阶梯段存在2个凸起型阶梯时,掺气效果较好;凸起型阶梯可以较大地扰动水流,优化水流的掺气特性,但是凸起型阶梯尺寸的选择对掺气特性也相当重要;当过渡阶梯段的首级阶梯为大阶梯、其余阶梯尺寸为16.67 mm×18.75 mm的凸起型阶梯时,阶梯面掺气最充分,空腔长度为14.58 cm,掺气浓度为15.61%,此时负压也最小,为-0.409 kPa。

同比例改变过渡台阶尺寸对联合消能工水力特性影响研究

联合消能工水力特性的研究对改善高速水流冲蚀以及空蚀空化等问题具有实际的指导意义,然而数值模拟比物理模型更省时省费用的同时,对阶梯流流坝面的空化、空蚀问题很难进行模拟。为了进一步完善联合消能工,结合阿海电站水工模型对同比例改变过渡台阶尺寸的Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能工进行了实验研究。实验研究发现,单个台阶长度以及台阶处与空气接触面积不同时,单位空腔面积越大,平均掺气浓度亦逐渐增大,掺气越充分。各实验方案沿程时均压强总体变化基本一致。同比例增大过渡台阶尺寸(方案三、方案四)有利于水流能量的耗散、减小高速水流对反弧段的冲刷。同比例扩大过渡台阶尺寸(方案四)可以有效地进一步降低台阶壁面发生空蚀破坏的风险。在同比例改变过渡台阶尺寸时,也要考虑过渡台阶与WES曲线相衔接处尺寸变化,不宜采用尺寸过小的台阶与之相衔接。控制其他变量相同时,同比例扩大过渡台阶尺寸(方案四)优于其他实验方案,对整体联合消能方式中掺气状况、对减小反弧段的冲刷、降低台阶面空蚀空化影响等方面均有积极作用。

不同体型过渡阶梯对联合消能工水力特性的影响研究

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能方式在宣泄高水头、大单宽流量时出现坝面掺气不充分及空化空蚀问题。该文通过水工模型试验,对比分析三种过渡阶梯与阿海原型工况共4种方案下,掺气空腔、台阶面负压及沿程时均压强等水力特性。试验结果表明:各方案的最大负压均出现在首级台阶立面,方案三由4个25 mm×18.75 mm(高×宽)台阶组成的过渡阶梯产生的最大负压最小,为-0.11 kPa,比原型方案由6个16.67 mm×12.50 mm(高×宽)台阶组成过渡阶梯产生的最大负压减少了0.19 kPa,比方案四由3个33.33 m×25 mm(高×宽)台阶组成的过渡台阶减少了0.08 kPa。从消能方面看,方案三的消能效果最佳,消能率为63.19%,比方案二的消能率62.38%增加了1.3%,比方案四的消能率63.03%增加了0.25%。因此,适度增大过渡台阶尺寸,有利于阶梯面与挑射水流之间形成足够、稳定的气体空腔,减少台阶面负压,相应地提高了消能效果。