宽式防旋墩环形堰竖井水力特性分析

目前许多拟建抽蓄工程泄洪洞的环形堰竖井入口设置了新型宽式防旋墩,以消除喉口处由不可控漩流引起的呛水等不利流态,而宽式防旋墩环形堰竖井的水气特性与以往采用起旋墩和窄式防旋墩的竖井存在较大差异,业内对其认识尚不清晰。以石台抽水蓄能电站下水库泄洪洞的竖井作为研究对象,采用物理模型试验与数值模拟相结合的手段,分析了流态、流速、压力、消能率等水力指标。研究结果表明:宽式防旋墩引导水流平顺进入竖井形成脱壁流,其尾部可形成顺畅的进气通道,空气经此通道可充分进入竖井以保持井内流态与压力的稳定;新型竖井过流能力满足要求,各部位流速、压力分布正常,总消能率达85%以上;宽式防旋墩可消除不可控漩流导致的呛水现象并引导水流在竖井内形成脱壁流态,使竖井壁面免于空蚀破坏;墩尾通气量足够时,可取消通气管及环形堰与竖井结合部突扩体型,简化工程布置。相关经验可供类似抽蓄电站工程的泄洪洞竖井设计参考。

非对称入流复合消力池消能体型研究

为了适应工程地形所需的复合底流消力池以其布置形式简单、工程投资小等优点,在中小型水库工程中得到广泛应用,但其在非对称入流条件下普遍存在水流流态复杂、消能率低等各种问题。基于抚宁抽水蓄能电站下库泄洪消能建筑物,采用水力学模型试验与数值模拟相结合的方法,对复合消力池消能体型及入流方式进行了研究。结果表明:将传统消力池的均匀对称入流方式调整为适宜的非对称方式后,既扩大了消力池水流入水的空间范围,又保留了三元水跃高消能率的优点,同时也解决了因入流不均匀及消力池体型不对称而产生的消力池内水流旋转问题。通过模型试验和数值计算发现,这种底流消能体型布置方式极大提高了入射水体与下游水垫的剪切碰撞作用,降低了消力池临底流速与底板压强,且流态稳定,适于工程不同工况的安全运行,也使消力池总消能率提升了约10%。

竖井进流水平旋转内消能泄水道的泄量特性研究

本文从分析竖井进流水平旋转内消能泄水道的流态及影响因素出发 ,根据试验资料对其泄量特性进行了系统地分析与研究。研究结果表明 :这种泄水道的流态、泄流量变化规律有非常明确的分区特性 ,不同的分区对流态与泄量的影响因素是不同的。本文在该分析的基础上给出了泄量的基本计算公式、流量系数的变化规律和泄量计算的经验公式。

竖井进流水平旋转内消能泄洪洞水力特性的数值模拟

本文采用Realizablek-ε紊流模型,结合自由水面处理技术的VOF方法及非平衡壁面函数法,对竖井进流水平旋转内消能泄洪洞的水力特性进行数值模拟,得到了自由水面、空腔直径、压强、流速、旋流夹角、消能率等水力特性的变化规律。把数值模拟与模型试验的结果进行对比后可以看出,采用该紊流模型、合适的边界条件与数值方法,能够较好地模拟这种强旋流、强离心力效应和各向异性的复杂的空腔旋转流动,数值模拟所得的各种水力特性,从变化趋势到数值精度可满足这种旋流内消能泄洪洞体型初步设计与优化的要求。

水平旋转内消能泄水道环流空腔直径的变化规律

本文从竖井进流水平旋转内消能泄水道影响环流空腔变化的因素出发,根据试验资料对其环流空腔直径的变化规律进行了系统地分析与研究。研究结果表明:这种泄水道环流空腔直径d0的变化规律有非常明确的分区特性,不同的分区对环流空腔直径d0影响因素是不同的。本文在该分析的基础上结合试验研究成果给出了d0的无因次综合变量函数的一般表达式、具体函数表达式和计算的经验公式。这些试验及分析成果对该种泄水道的水力特性的理论研究、分析计算和设计有较大的参考价值。

旋流式竖井泄洪洞消力井井深优化研究

旋流式竖井泄洪洞是导流洞改建为泄洪洞的一种有效方式 ,采用消力井衔接竖井与导流洞 ,具有体形简单、安全可靠等特点 ,但其体形对导流洞的水流流态有直接影响 ,是优化研究的重点之一。为此 ,在《小湾水电站大型导流洞改建泄洪洞研究》的基础上 ,针对小湾水电站水头高、流量大的泄洪特点 ,通过试验研究 ,对比分析了不同井深方案消力井底板冲击压强的分布特性和井深对消能率的影响 ,提出消力井的合理井深为竖井直径的 0 7～

旋流式竖井溢洪道竖井的水流特性研究

本文在对旋流式竖井溢洪道的实验研究基础上着重分析了该消能工的消能机理,讨论了水流旋流数和水流的涡粘滞系数与消能率的关系,并建议了简易可行的数值计算方法。在研究中也发现了竖井边壁上的剪应力过大这一在具体应用中需要注意的问题。

高水头水电站“三洞合一”布置的体型优化试验

针对某水电站坝址河道狭窄现状,采用放空洞、旋流竖井泄洪洞与导流洞"三洞合一"技术优化枢纽布置。通过模型试验,分析旋流竖井泄洪洞泄流能力及相关水力特性,评价了结构尺寸设计的合理性。提出在放空洞连接段采用曲线型阶梯消能工的措施,通过试验得到了优化体型。研究表明,采用曲线型阶梯消能工后,连接段流态平稳,水流掺气充分,并且消能效果显著,在单宽流量为54.3 m3/(s.m)时阶梯段的消能率达到了43%。在洞内连接段布置阶梯消能工可有效改善枢纽布置。

旋转水流消能及其空化特性

研究了高水头（Ｈ＞２００ｍ）泄水建筑物隧洞内部消能的一种新型消能工，将竖井与隧洞切向连接，在隧洞内形式螺旋形的旋转水流，这种水流结构可消散水流中大部分能量，使流向下游的水流剩余能量较小，减轻下游的消能负担和减少下游冲刷．这种消能工的最基本的水流形态环流，在其固体边壁存在着较大的离心力，其中心为大气压，整个水流不会出现负压，流速迅速降低，空化特性较好，不会产生空化与空蚀．还分析了旋转水流的消能机理、消能率、过水流量及流量系数．

高水头大流量竖井旋流水气二相流三维数值模拟

采用标准k-ε双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法,对某高水头水电站竖井式泄洪洞内的水流运动进行了模拟,得到流速、压力、紊动能、自由水面、压坎后掺气水深等水力参数的分布规律.揭示了竖井旋转内消能泄洪洞的一些特有的水力特性——空腔环流.模拟结果与物理模型试验结果吻合良好.此外,利用数值模拟的结果对竖井的泄流能力和消能率以及洞顶余幅进行了验证.

用于生态流量泄放的竖井旋流内消能技术

竖井旋流内消能技术是一种新的生态流量泄放设施,但其设计标准和工程经验较少。介绍了用于生态流量泄放的竖井旋流内消能技术设计思路、方案及水力计算经验公式,并通过模型试验对其体型进行了优化,解决了泄流能力的协调与匹配问题,通气孔的设计、下游水深的影响等问题,以及掺气、脉动、振动、空化空蚀、雾化、下游河床及岸坡的冲刷等问题。

溪古水电站竖井旋流溢洪洞设计与分析

溪古水电站泄洪建筑物布置受地形地质条件限制,采用了结构简单、进出流方向不受限制的竖井旋流消能方式,在充分利用下部泄洪排沙(放空)洞具有较大的泄洪能力基础上,结合导流洞开挖后良好的围岩地质条件,适当减少了上部竖井旋流溢洪洞泄洪规模,将溢洪洞下平段与导流洞结合,优化了泄洪建筑物布置格局,并通过初设和施工详图两阶段水工模型试验分析对比验证,竖井旋流消能,是一种便于枢纽灵活布置、具有较高消能率的内消能工型式。

旋流环形堰竖井泄洪洞三维流场数值模拟

旋流环形堰竖井泄洪洞是一种新型的环境友好的内消能工,跟传统环形堰竖井泄洪洞相比,泄洪洞的流态和消能防蚀机理明显不同。作为一种新型布置形式,其复杂的水流特性并不是十分清楚。依托于广东清远抽水蓄能电站下水库泄洪洞工程,基于RNG k-ε双方程湍流数学模型,并结合VOF(Volume Of Fluid)方法,对下库旋流环形堰竖井泄洪洞进水口、竖井旋流泄洪洞、出口的复杂水流进行了三维数值模拟,并对部分水力参数的特性进行了解析计算,获得了流态、压力、流速、空化数等水力要素的变化规律。模拟结果表明,数值计算结果与物理模型试验成果吻合较好。并通过数值模拟验证了该新型内消能工的泄流能力和高消能效率。

旋流式竖井底部消能区压力特性研究

旋流式竖井主要利用水流的螺旋运动和底部消能区消能,是一种较为新型的泄洪消能工,但在高水头、大流量条件下,旋流式竖井泄洪洞内水流流态复杂,底部消能区承受较大压力,对结构安全形成严峻考验。通过1/30模型试验与理论分析的方法研究在不同深度下底部消能区侧壁及底部的压力特性,并针对环状水跃位置不易确定的问题提出一种新的思路确定底板的冲击压力,给出底板最大冲击压力的计算公式。结果表明:旋流式竖井底部消能区侧壁压力与井深关系不大,随流量同步增减,则控制侧壁结构的因素是大流量时的压力;各体形下侧壁压力最大值均出现在竖井侧壁最低点,随着竖井深度加深,最大时均压力呈增加趋势;通过拟合的底板最大冲击压力公式,建议竖井深度与直径比大于1.2。

内湿外干型折板式竖井泄流特性数值模拟

内湿外干型折板式竖井较传统折板式竖井具有明显优势。为分析内湿外干型折板式竖井的泄流特性,以某实际深层隧道调蓄系统竖井为背景,采用CFD商用软件,采用RNGκ-ε双方程紊流模型和Tru-VOF方法,数值模拟内湿外干型折板式竖井内的下泄水流,得到往复跌流、临界流、S型贴壁流三种流态。模拟结果表明,内湿外干型折板式竖井在不同泄流量下的综合消能率均大于90%,处于较高水平,竖井消能率在形成S型贴壁流态后下降较快,数值模拟结果与物理试验实测值吻合良好,CFD软件可对该类问题进行数值模拟。

通气系统对竖井式溢洪道水力特性影响研究

跌流式竖井垂向落差大,通常在环形溢流堰与竖井段衔接处设置突扩形成脱壁流来降低水流急剧加速后对竖井壁带来的空蚀破坏风险,部分工程在突扩处设置有通气系统,但这种通气设置对于竖井溢洪道整体水力特性的影响尚未明确,针对易县抽水蓄能电站竖井溢洪道工程开展了物理模型试验。试验结果表明:随着堰上水头的增加,环形溢流堰水流流态从自由堰流向受阻堰流转换,最终变为压力孔口出流,且相较于不通气条件,通气条件下的流态转捩点提前;两种条件下泄流流量均呈现先增大后稳定的趋势,高水头时通气条件下泄流能力略低于不通气条件;同时研究发现H/H_(d)<0.88时,通气管的存在对竖井各水力特性的影响不大,但当H/H_(d)>0.88后,通气管的存在能够为竖井溢洪道提供更为充分的通气条件,有助于避免竖井管流现象的出现,且能够提高竖井溢洪道的消能率。研究成果可为跌流式竖井溢洪道的设计和优化提供参考。

深隧排水折板型竖井泄流消能的试验研究

针对深隧排水系统竖井泄流过程中高速气-水两相流动特性进行了水力模型试验研究,观测竖井内水流下泄过程中的型态,分析最大泄流量与折板间距的关系,计算不同工况下的竖井消能率,并揭示折板型竖井在泄流过程中的消能机理.试验结果表明:竖井在泄流过程中存在3种水流型态:撞壁受限流、临界流和自由跌水流;泄流过程中水跃是水流在折板上消能的主要原因,水流流至井底与反向流体互相撞击破碎使竖井达到最终消能的目的;当竖井直径D=0.4 m、折板间距d介于16.02~24.56 cm时,竖井最大泄流量介于(8.7~14.7)×10−3 m3/s,且d与最大泄流量Qm存在线性关系;根据能量守恒定律推导出消能率公式,得到d=19.4 cm、倾角θ=10°时的竖井消能率为最优;竖井盖板开孔直径Ф对竖井顶部压强的影响较大,当Ф≥4 cm时,竖井顶部相对压强基本为0,并且具有一定倾角的折板有利于加速竖井的泄流过程;上、中、下折板冲击力(Fu、Fm、Fd)呈现Fu>Fm>Fd的分布规律,上、中、下折板最大面荷载分别为42.8、30.7、22.8 kN/m2.深隧排水折板型竖井最佳泄流量和最优消能率的试验研究成果对深隧竖井工程的设计与运行提供了一定参考价值.

刚体有限元上限法相邻刚体单元的相对运动模式探讨

刚体有限元上限法将单元视作刚体,已有研究均采用理论上合理的刚体平动的运动模式,但近来有学者将刚体转动模式也引入到刚体有限元上限法中。针对考虑转动模式是否合理问题,分析推导了相关联流动法则下处于转动模式的相邻刚体单元速度的相容性,以及不满足相关联流动法则下处于转动模式的相邻刚体的界面处能量耗散率计算的可行性。结果表明,刚体转动模式难以适用于刚体有限元上限法。

竖井旋流内消能技术在辽宁恒仁水电站的应用

竖井旋流消能是一种新型水力消能技术,能够克服大型水电站导流洞常出现的雾化、空蚀破坏、水力冲蚀等有害现象,也可作为维持环境生态流量的有利措施应用于水电站工程建设中。本文结合辽宁恒仁水电站竖井旋流内消能工的设计施工实践与经验,对该技术应用的布置方案、设计要素、参数选择、水力计算等进行简要分析研究。

石岩南清水隧洞折板式竖井过流能力及消能效果研究

随着城市建设步伐的加快,建成区污染负荷的加重,对于上游为生态山区的城市建成区,应采取措施剥离山区清洁雨水,绕排建成区,实现清污分流。折板式消能竖井具有适应性强、消能效果好的特点,在山区短距离、大高差输水工程中的应用有着广阔前景,但在实际应用中可能存在过流能力不足、水流震荡、消能不充分、排气不畅等问题,目前通过水力学理论和经验公式对以上问题进行研究还存在一定的困难,因此,以石岩南清水隧洞折板式竖井为例,通过物理模型试验对折板式消能竖井的过流能力和消能效果进行研究。