基于阻塞-渐扩设施的水平旋流洞内空腔旋流特性研究

水平旋流泄洪洞中,增加阻塞-渐扩设施是改善水平旋流泄洪洞水流空化条件,提高洞内消能效率的有效方式,因此针对阻塞-渐扩设施构造下的水平旋流泄洪洞内的空腔旋流特性展开研究。结果表明,模型试验结果与数值模拟分析结果的吻合度较高,可为优化设计和研究分析提供参考依据。阻塞-渐扩设施使用后,紊动能在阻塞均匀段达到最大值,总体消能率最终可达90%以上。研究成果可助力旋流阻塞泄洪洞的理论研究与工程实践。

旋流消能工内空腔旋流的数值模拟

为了克服试验研究的局限,揭示旋流消能工内部的流动特性,以公伯峡水平旋流泄洪洞为例,在原、模型试验研究的基础上,采用Realizable k-ε湍流模型对空腔旋流进行数值模拟。模拟结果表明,压强等值线沿径向大致以旋流空腔为中心的同心圆轴对称分布;旋流区和空腔内流速具有明显的分区特性,旋流区动能沿程由切向动能向轴向动能转变,并得到旋流角的印证;旋流空腔沿旋流洞轴向和径向均有变化;湍动能与湍动能耗散率的径向分布体现出水气交界面处水气混掺紊动、离心力引起壁面摩擦力的增加是空腔旋流具有较大消能率的原因。通过数值模拟与原、模型水力特性的对比分析可知,数值模拟能够客观地反映出空腔旋流内部的流场特性,成果可为旋流消能工内空腔旋流的研究应用提供参考。

旋流消能工内空腔旋流的流速特性

为了揭示空腔旋流的内部流场特性,以公伯峡水平旋流消能工为例,结合数值模拟和试验成果,研究空腔旋流的流速特性。结果表明,随半径的增大,同一轴向断面的切向流速呈先增大后减小的规律,具有组合涡的分布特性,而轴向流速具有先急剧增大,而后平缓变化的特性。旋流消能工内空腔旋流的流动以切向流动和轴向流动为主,且沿程是由切向流速向轴向流速转变的,并与旋流角的沿程分布相印证。组合涡指数是旋流内部流动自由程度和能量损失的体现,在研究流段上其值介于-0.8~0.5之间,并随半径的减小而减小;组合涡指数的沿程分布表明旋流消能工内的空腔旋流沿程是由准强制涡向准自由涡转变的。推导并建立压强及流量的计算公式,代入数值模拟结果验证了空腔旋流的组合涡运动规律,成果可为空腔旋流内部微观流动特性的研究提供参考。

旋流消能工内空腔旋流的能量特性

为了揭示旋流消能工内空腔旋流的能量特性,本文以公伯峡水电站为例,基于组合涡运动规律推导并建立了空腔旋流各类能量的计算公式,研究了空腔旋流的能量特性。结果表明,文中的能量计算公式在空腔旋流的能量计算中具有更好的适宜性,克服了常规能量方程在空腔旋流能量精确计算中的局限。旋流洞内空腔旋流的切向动能沿程减小;轴向动能和压力势能沿程波动变化,且相对轴向动能和相对压力势能沿程变化趋势相反;空腔旋流的总能量以轴向动能为主且沿程减小;在水平长度为15.5m的研究流段间其能量损失约占总水头的5%。并结合湍动能耗散率揭示了空腔旋流能量损失的主要组成部分。成果对旋流消能工的设计和深入认识旋流消能工内空腔旋流的能量特性具有指导意义。

高水头旋流阻塞复合内消能工水力特性研究

旋流阻塞复合内消能工是适用于高坝泄洪消能的一种新型消能工,为了分析其在超高作用水头下的泄洪消能适用情况,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,对200 m作用水头条件下该消能工的水力特性进行了研究。结果表明:泄流量为1547 m^(3)/s,略大于设计值,满足泄流要求;洞内形成了稳定的空腔旋流,旋流洞段空腔直径约6~7 m,旋流角约60°,壁面压强约110×9.8 kPa,最大点流速约45 m/s;起旋器与旋流洞段为0.050~0.274 Hz的低频脉动,且水流空化数均大于1.2,运行安全;阻塞扩散段末端最小瞬时负压为-3.81×9.8 kPa,且水流空化数较小,但水流掺气率较高,有利于减免发生空蚀;阻塞扩散段末脉动优势频率为46.99 Hz;总消能率达82.1%,消能率高。研究成果可为该复合消能工在高水头下的泄洪消能应用提供参考。

不同阻塞比旋流阻塞泄洪洞水力特性数值模拟研究

水平旋流泄洪洞中设置阻塞可增大洞内压力并改善水流空化条件,同时还可提升消能率,在高水头泄洪消能中具有独特优势。为探究不同阻塞比阻塞对水平旋流洞水流水力特性的影响,采用Realizable k-ε紊流模型与VOF法,对阻塞比0.2、0.3、0.36、0.4、0.5等5组体形水流水力特性进行了数值模拟。结果表明:阻塞比m越大,空腔直径越小,m>0.4时,空腔沿程变化变大,空腔旋流不稳定,阻塞比m不宜超过0.4;空腔旋流横断面压强近似呈底部略大的同心圆分布,阻塞比0.5较0.2体形壁面压强增大约2/3,阻塞增压效果显著,且m>0.3时增压效果更为显著;空腔旋流呈三维流速分布,切向流速沿径向近似为中心对称分布,轴向流速近似为轴对称分布;阻塞比0.5较0.2体形断面平均流速减小约1/4,阻塞减速效果显著。阻塞的增压减速效应有助于改善洞内水流空化条件,使之适用于更高水头的泄洪消能。综合来看,阻塞比选择在0.3~0.4之间较为适宜。

旋流消能工内空腔旋流的压强特性

为了揭示空腔旋流内部的压强特性,以公伯峡水平旋流消能工为例,采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,基于组合涡运动规律对起旋室和旋流洞内空腔旋流的压强特性进行了研究.压强分布通过压强等值线和径向压强分布图直观地体现出来,其沿径向分布基本符合组合涡流场的理论压强分布规律.提出了采用组合涡指数n刻画空腔旋流内部微观流动的思想,根据n值大小将起旋室内的空腔旋流分为准强制涡和准自由涡区域.旋流洞0+233.50m和0+238.67m断面上的空腔旋流以准强制涡运动为主,旋流洞0+243.84m和0+249.00m断面上的空腔旋流沿径向呈现由准强制涡向准自由涡转变的趋势,建立并验证了相应的压强表达式.

水平旋转内消能泄水道空腔环流的旋流特性

本文通过对典型的竖井进流水平旋转内消能泄水道空腔环流的试验观测 ,在流速分布的假定下 ,提出与建立了该体型泄水道各种旋流特性的表达式 ,并给出试验观测结果。试验观测结果表明 ,相对于起始断面的各种旋流特性具有明显的分段性质和沿程衰减的特性 ;下游水位对空腔环流的旋流特性有显著的影响。通过理论分析定义的无量纲综合性无因次旋流参数AM ,物理意义明显 ,较全面的反映了各种基本物理量对空腔环流的影响 ,其沿程线性增大 ,表明空腔环流的断面总动量矩的沿程变化率与单位长度上的壁面切应力对轴心的力矩成正比。