Study on the critical submergence of surface vortices and the design of anti-vortex intakes

Surface vortex behavior in front of the tunnel intake was investigated in this paper.The critical submergence of vortex was discussed based on the concept of 'critical spherical sink surface'(CSSS).The vortex formation and evolution at the tunnel intake were analyzed based on the theory of CSSS considering the effect of circulation.A theory was proposed to explain the surface vortex.The theoretical development was verified by the physical model experiments of Xiluodu hydropower station.The radial velocity and vortex circulation were considered as the main factors that influence the formation and evolution of surface vortex.Finally,an anti-vortex intake configuration was proposed to weaken the air-core vortex in front of the tunnel intakes of the hydraulic structures.

进水口漩涡特性及临界淹没水深的研究进展

压力进水口前的漩涡是常见的水力现象,研究漩涡的水力特性,是认识和消除进水口漩涡的基础。研究进水口前漩涡的主要方法有室内缩尺物理模型试验、理论研究及数值模拟等。主要对进水口漩涡水力特性和临界淹没水深的研究成果进行了分析总结;根据漩涡是否吸气对其进行分类,分析各种漩涡可能产生的危害,并总结了漩涡产生的影响因素、缩尺效应和进水口的临界淹没水深公式。最后指出,应加强电站进水口漩涡的原型观测统计,以及双层或多进水口临界淹没水深的研究。

埋入式进气道的设计及其气动性能研究

本文提出了一种埋入式进气道的气动Ｓ弯设计方法，设计了进气道模型；并研究了该进气道在高、低速以及存在侧滑和正、负迎角时的性能。研究结果表明设计的埋入式进气道的总压恢复达到了使用可接受的程度，且进气道的性能随迎角的增加而改善。当存在负迎角和侧滑角时该进气道的性能变化也不太显著，这说明进气道具有较宽的工作范围。

二维埋入式进气道的数值分析

采用并改进了适用于分离流动的 Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｋｉｎｇ 紊流模型，结合 Ｌ Ｕ Ｓ Ｇ Ｓ近似隐式格式和基于 Ｍ Ｕ Ｓ Ｃ Ｌ非线性插值的 Ｒｏｅ 格式编写了雷诺平均的二维 Ｎ Ｓ方程的求解程序。然后借助于该流场计算程序完成了二维埋入式进气道的数值研究，分析了几何设计参数对进气道性能的影响。

压力进水口的最小淹没水深

水电站、水泵站以及其它压力引水隧洞的进水口都要求有一定的淹没深度，以避免出现挟气漩涡引起有害的工程问题．其计算公式分为三种类型：以进口高度表示的公式、以进口流速水头表示的公式以及以弗汝德数Fr表示的公式；根据三峡电站模型实验的数据比较了各公式的计算值，结果发现，以戈登公式的计算结果最为接近实验值，但在工程实践中证明，大流量、高流速的情况下，戈登公式并不能给出足够的安全淹没深度，其主要原因在于边界的影响．对于重要的工程，应通过实验确定临界淹没水深．

埋入式进气道流场的雷诺应力测量和频谱分析

本文给出了埋入式进气道内湍流流场的雷诺应力测量和频谱分析结果。在研究中利用“Ｘ”双斜丝探头测量了低速下埋入式进气道出口截面上六个雷诺应力分量沿径向和周向的分布，继而把两个单丝热线探头分别置于进气道的进、出口，通过ＣＦ－９２０频谱仪分析两个动态信号的自功率谱和互相关性质。结果表明埋入式进气道出口近壁区气流的雷诺应力呈明显的各向异性，其上游的气流脉动是按气流平均速度向下游传输的。

进水口最小淹没水深和消涡措施

为了防止进水口前产生吸气漩涡,水电站或泵站进水口前要求有一定的淹没深度,在总结具有代表性的不产生吸气漩涡的临界淹没水深经验公式的基础上,以某水电站进水口为依托开展了模型试验研究,比较了各经验公式在该电站进水口应用中的适用性。结果表明,戈登公式计算值与试验值最为接近。最后,通过模型试验进一步分析了水电站进水口漩涡的影响因素,提出了几种消除吸气漩涡的工程措施。

明槽式鱼道进流口区水流特性及改善措施

为研究明槽式鱼道进流口区水流特性,以某河流为例,通过试验研究提出了底部介入对进流口区水流进行控导调整的修改措施,包括多级壅水坎与水下三角翼群两种方案。通过水力模型试验,对两种体型设计和布设形式的优化进行试验研究。研究表明,两种措施均对改善进流口区流态有明显作用;而三角翼群在保证进流口区及过渡段表层水流平顺、均衡前提下,有效降低了进流口区流速,还发挥了上溯鱼突进中临时休憩的掩体作用,满足了鱼类顺利回溯至河流的要求。同时,修改优化后的进流口区仍能满足设计过流能力要求。

进水口前漩涡研究现状和发展趋势

漩涡是水利工程进水口前一种常见的水力现象,其生成和发展会对工程安全运行产生不利影响。认识漩涡的生成机理及其水力特性,对消除和利用漩涡具有重要意义。基于现有的研究成果,从漩涡的形成机制、水力特性和影响因素等方面出发,论述了进水口前漩涡问题的研究进展,明确了将临界淹没水深作为评判漩涡出现的依据,并分析归纳了现有的消涡措施。最后总结了现有研究中未能解决的问题,为进水口前漩涡的进一步研究提供了方向。

联系梁对电站分层取水进水口流态影响的试验研究

在大型电站分层取水进水口1∶30大比尺模型上,对每层叠梁门进行了最小淹没水深的试验,发现位于水流表层的联系梁对进口流态具有明显的消涡作用,每层叠梁门运行水位只要位于相应的联系梁底面以上,进口流态均可满足要求。水流表面离联系梁越近,联系梁的消涡作用越大;反之,水流表面离联系梁距离越大,则淹没度对进口流态起主要作用了。进水口体形是决定进口流态的基础,联系梁布置恰当,对消涡可起到关键作用。对电站进水口联系梁的布置具有指导意义,对其它建筑物的消涡措施具有借鉴作用。

某抽水蓄能电站下库进出水口水沙运动特性试验研究

利用河工模型对某抽水蓄能电站下库区进行了特征洪水过程及电站运行的联合模拟试验。试验表明在输沙槽与拦沙潜堰共同作用下,电站进出水口的含沙量得到有效控制。在来水含沙量低于3kg/m3时,进出水口含沙量都满足电站运行要求,但是在含沙量较高的洪水期,底部浑水会逆行至电站进出水口附近,导致过机含沙量较高,因此提出了增设非封闭式拦沙潜坝的修改方案。修改方案改善了进出水口前的水流结构,起到了良好的拦沙截淤作用,进出水口前含沙量及泥沙淤积大幅减少,蓄能期过机含沙量降低13%~22%。在含沙量较大的洪水期,电站不宜抽水运用,但适时采用发电运行有助于减轻下库进出水口前的泥沙淤积。

泵站进水口临界淹没深度相似准则及换算公式探讨

结合大型斜式轴流泵站水力模型临界淹没深度试验研究 ,就泵站进水口临界淹没深度相似准则进行探讨 ,提出了泵站进水口临界淹没深度换算公式 .与其它泵站进水口临界淹没深度换算公式进行了比较 ,验证了公式的适用性 .

漫湾水电站二期工程进水口漩涡问题研究

漫湾水电站二期工程进水口运行条件与原设计条件相比有较大变化，二期工程装机容量由原设计的250MW增至300MW，引水发电流量由原设计的321m^3/s增至384m^3／s，并要求在小湾电站完建前投产发电。由于引水发电流量增大，而水库的汛限水位比后期发电控制水位低，已建进水口不能满足最小淹没度的要求。水工模型试验的结果表明。在上游水位985．0—986．0m范围内，两侧流道会出现第②漩涡，而将引水发电流量减小至360-300m^3/s，可避免出现漩涡；在高水位条件下则末见不利流态与有害漩涡出现。

淹没式取水工程附近水流运动三维数值模拟

采用三维水流模型,模拟了淹没式取水工程(单侧引水箱、蘑菇头)附近三维空间内的水流运动。计算发现,取水工程处表层水体中水平流速增量与取水吸水方向可相同,也可相反。结合模拟结果和明渠水流基本理论,探讨了取水口附近水流变化现象的形成机理。理论分析表明,黏性(垂向扩散)、动水压力作用是产生上述现象的决定因子,它们对表层水流变化的驱动方向相反,其综合作用效果随着取水工程之上水深h'的不同而不同。对于单侧引水箱,当h'较小时,黏性扩散作用占主导,取水层与表层水流流速增量方向一致;当h'较大时,动水压力作用占主导,取水层与表层水流流速增量方向相反。较之单侧引水箱,蘑菇头从水平各个方向均吸水,导致了在蘑菇头正上、正下方水域形成2个压力集中区。环绕着这2个区域边缘,靠近取水口的水层由于黏性扩散向中心运动,远离取水口的水层(底层、表层)被向外压出。

波浪对蘑菇头式取水口吸气漩涡流态影响的试验研究

滨海蘑菇头式取水口进口流态受波浪影响明显,但波浪作用下的取水口吸气漩涡规律尚缺乏系统研究,如何防止进水口前产生有害吸气漩涡是进水口设计中急需解决的问题。以某滨海电厂取水口为例,采用物理模型试验方法,研究了波浪作用下的取水蘑菇头进水流态和吸气漩涡特征,分析了波浪影响下取水口防进气所需的最小淹没深度。试验结果表明,波浪会抑制取水口周缘形成稳定的吸气漩涡。取水蘑菇头在淹没深度不足时会随着波浪周期产生间歇式吸气,但进气量要比持续波谷水位时小。在预防有害吸气漩涡方面,波浪的存在可降低临界淹没深度值,设计实践中可对淹没深度规范公式(Gordon公式)加以修正使用,而修正系数的取值应根据波浪要素和取水口结构形式确定。研究结果可为类似工程设计提供参考。

全尺寸埋入式进气道地面特性试验

采用在进气道出口连续抽气的方法,在地面静止状态(俯仰角α=0°,偏航角β=0°)下试验研究全尺寸埋入式进气道的气动特性。首先介绍了试验方法,给出了出口总压分布图谱,然后对进气道流量和畸变特性进行了分析。结果表明:试验设计合理,准确校准了进气道出口流量;地面静止状态下进气道性能良好,总压恢复系数随流量的增大而减小,周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数则随出口马赫数的增加而增加。

跌坎型底流消能工淹没射流区流速衰变规律

跌坎型底流消能工消力池内的流态为淹没射流和淹没水跃的混合流态,为了解淹没射流区的水力特性,应用紊动射流理论,分析了淹没射流区主流的扩散规律、主流轴向最大时均速度的衰变规律。采用水力学试验方法,借鉴目前研究成果的基础上,开展了淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变规律的研究。通过试验研究结果,推导出以入池角度为控制目标的跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变的半经验公式。

泵站进水口淹没深度对漩涡的影响

泵站流道进水口漩涡会危害水泵运行,降低水泵性能。进水口漩涡的发生发展情况与进水口淹没深度有关,结合泵站实际运行情况选取5种不同的淹没深度,通过数值模拟,分析不同淹没深度下流道进水口的流场结构、漩涡的涡量变化及分布规律。研究结果表明:在流量不变,淹没深度0.09 D^0.2 D时,随着淹没深度的增大,漩涡强度变小。淹没深度为0.09 D的漩涡强度最大,在淹没深度为0和0.05 D的状况下没有明显漩涡产生。淹没深度为0.09 D、0.14 D、0.2 D时,漩涡均在距离进水流道进水口顶板以下0.3m附近终止。研究结果可为泵站设计进水口淹没深度参数提供一定参考。

水泵进水口临界淹没深度试验力学准则的研究

对影响进水口旋涡运动的主要因素进行了理论分析,研究了旋涡型式和Fr数的关系,确定了临界淹没深度试验所要求的力学准则,首次提出新的特征参数,得出了相应的临界淹没深度的计算公式。

斜向进水消力井淹没射流水力特性机理分析

云南地处高原山区,水文气象条件各异,地形陡峻、工程地质条件复杂,在常规消能工无法布置的情况下,消力井是一种可行的选择。对于斜向进水消力井,其水力特性未见更多研究。针对一定纵坡条件下斜向进水消力井井内淹没射流,基于井内水流紊动射流分区,对淹没射流条件下的水股作用力进行机理分析,推导得出了斜向进水条件下圆形消力井射流沿程最大流速及冲击区井壁时均作用力表达式;进而结合水力学试验进行了一定纵坡下的半经验公式参数率定。研究成果可为类似工程的设计提供参考。