泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动的数值模拟

采用双方程紊流数学模型和自由面VOF方法,对有压泄洪洞弧形闸门突跌突扩出口段三维流动进行数值模拟,获得了空腔形态、侧墙水翅、压力分布等水力学要素,探讨了空腔冲击点涡旋对气流的吸卷作用,并研究了空腔的回水特性.计算与模型实验数据符合良好,表明数学模型对有压泄洪洞弧形闸门突跌突扩出口段复杂流场有较好的预测能力.

弧形闸门突扩跌坎式通气减蚀研究进展综述

偏心铰弧形闸门门座结构特殊 ,所处水流情况复杂 ,实际运行中大多数是成功的 ,但也有少数发生空蚀破坏。应找出发生空蚀破坏的原因 ,并提出改善措施 ,使工程应用建立在可靠的基础上。

有压出流条件下突扩突跌掺气设施空腔长度研究

掺气减蚀措施可以减免高速泄水建筑物的空蚀破坏。采用突扩突跌掺气设施,会同时形成底空腔及侧空腔,获得较好的掺气减蚀效果,对建筑物底板及侧墙均起到良好的保护作用,在有压出流条件下,通过对突扩突跌掺气设施水工模型进行不同突扩宽度、跌坎高度、下游坡度、来流条件下的模型试验,初步确定了跌坎高度、突扩宽度、下游坡度对空腔长度的作用方式。结果表明,有压出流条件下,在其他条件相同时,底空腔长度与突扩宽度、跌坎高度均呈正相关关系,与下游坡度呈反相关关系;侧空腔长度与突扩宽度呈正相关关系,与跌坎高度及下游坡度均成反相关关系。最后通过量纲分析拟合出有压出流条件下,相对侧空腔长度与综合水力参数X的关系,得到在X<8时计算侧空腔长度的经验公式。

冲沙底孔突跌与突扩+突跌体形掺气效果对比试验研究

通过水工模型试验研究,对阿海工程左泄洪冲沙底孔采用跌坎式掺气,从流态、底、侧空腔长度、掺气浓度、压强等方面,比较了突扩、明槽坡度等因素对掺气效果的影响。试验结果表明,采用突扩+突跌式通气减蚀与突跌情况下相比,掺气效果更加明显;随着明槽底坡坡度的增大,掺气底、侧空腔长度、掺气浓度值亦随之增大;采用突扩+突跌式掺气以及适当的明槽底坡,可以有效的增加掺气效果,从而减小发生空化、空蚀破坏的可能性。

突扩突跌体型侧墙负压区的演变特征

针对突扩突跌体型泄水建筑物侧墙上呈现出的复杂水力特性,通过大比尺模型试验,测量了突扩突跌体型侧墙上的平面压力分布,绘制了侧墙等压线分布图,并对其分布特征及演变规律进行研究。结果表明,突扩突跌体型侧墙上存在呈椭圆形分布的负压区域,负压区的范围、负压值等随水头变化较大,但是负压区的中心位置具有相对稳定性,其相对稳定位置与侧空腔的长度有关。

泄洪洞突扩突跌段空化特性的试验研究

结合九甸峡水利枢纽泄洪洞工程,在常压模型试验的基础上,通过减压模型实验,探讨了光滑壁面及存在多种尺度凸体时,弧形闸门突扩突跌段侧墙在各级水位及各种相似真空度下的空化特性。实验结果表明,侧墙压力分布特性类似于易于发生空化的反弧段,在清水区内空化特性对不平整度比较敏感,而掺气区域对空化噪声有很好的屏蔽作用。

跌扩型底流消能漩涡特性的初步研究

多股跌扩型底流消能是一种新型消能方式,消力池内紊流特性复杂.基于RNGκ-ε紊流模型和VOF自由表面追踪法,采用非均匀结构网格技术,建立了三维素流数学模型,对高低坎多股跌扩型底流消能工进行高精度数值计算.讨论了不同消能方案下游消力池内漩涡分布及变化特性,指出：跌扩型底流消能,水流紊动剧烈,各种漩涡结构交织,下游消力池底板、边墙及跌坎附近随机形成了强度和尺度各异的立轴和横轴漩涡,但漩涡具有一定的游移性和间歇性;消力池底板X=0＋0.0～0＋40.0范围为立轴漩涡高发区;边墙处漩涡主要分布在高程Z=4.0～16.0m范围.

中闸室弧形闸门关闭过程中泄洪洞水力特性研究

基于引入VOF模型的RNGκ-ε模型和动网格模型,模拟了岸边泄洪洞中闸室弧形闸门的关闭过程。并结合物理模型试验,重点研究了中闸室下游泄洪洞内流态、空腔长度、壁面压力等水力特性的变化规律。研究结果表明,中闸室弧形门关闭过程中,随闸门开度逐渐减小,底空腔回流和侧墙水翅等不利流态均会逐渐减弱并消失;空腔长度呈线性规律增加;当闸门开度大于1/2时,在泄洪洞底板和侧壁的冲击范围内,能观测到压力峰值,当闸门开度小于1/2后,压力峰值逐渐减小并消失。此外,数值模拟成果与模型试验成果基本符合良好,验证了数值计算模型的有效性。

突扩跌坎掺气设施深化研究

高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题是高水头泄水建筑物运行所遇到的2大问题。为深入研究突扩跌坎掺气设施,进一步了解其水力特性和空化特性,以某水利枢纽孔板泄洪洞中闸室通气系统和突扩跌坎掺气设施为具体研究对象,通过建立比尺1∶20的局部水工模型,分析研究了通气孔风速、流态、压力、掺气浓度等水力特征参数,并将试验结果与原型观测结果进行了对比。结果表明:该工程布置的掺气效果良好,试验所得通气管内风速随闸门开度变化的趋势、水流掺气浓度、压力及其脉动在数值上与原型观测结果均一致,说明工程原型观测与模型试验对比验证是成功的。理论研究和实际运用均表明,结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置,是符合实际需求且安全可行的,同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施,具有广泛的推广应用价值。

跌扩型底流消能水力特性的数值模拟研究

多股跌扩型底流消能是一种新型消能方式,消力池内紊流特性复杂。本文对多股跌扩型底流消能工建立了三维紊流数学模型,采用非均匀结构网格技术对模型进行网格划分,利用RNGk-ε紊流模型和VOF自由表面追踪法对其进行高精度数值计算,得到了消力池内水流的水力特性:当表孔和中孔联合泄流时,消力池后段的临底流速较低,流速梯度改变较大,消力池底板及跌坎附近形成了强度和尺度各异的游离性和间歇性漩涡,紊动能消逝迅速。由此可见,此种消能工的消能效果显著,能有效解决高水头、大单宽流量消力池水力学指标过高的水力问题。

泄洪洞突扩突跌掺气设施水力特性研究

有压洞出口突扩突跌掺气设施在工程中得到广泛应用,合理的突扩突跌体型能较好的对水流掺气,进而减小水流对泄水建筑物的空蚀破坏。利用Eulerian的RNGk-ε三维紊流数学模型及物理模型试验对突扩突跌掺气设施的水力特性进行了研究,得出突扩突跌后底空腔及侧空腔的变化规律及影响因素。水流掺气浓度在水舌落点附近最大,其分布受贯通的底空腔尺度和侧空腔尺度的综合影响。侧掺气空腔对增大泄槽边墙附近的掺气浓度效果显著,对水舌落点以后的明槽段,同一流程位置边墙附近的掺气浓度比中轴线处平均可增大10%-30%。研究结果有助于了解突扩突跌掺气设施的水力特性,可为选取该设施合适的体型尺寸提供参考。

突扩突跌掺气坎底空腔长度计算

突扩突跌掺气坎的底空腔长度既与水力条件和底部掺气坎结构参数有关,也与侧墙掺气坎结构参数有关。以往的底空腔长度计算方法,均针对仅采用底部掺气坎,未设置侧墙掺气坎这类掺气设施,不能反映出侧墙掺气坎结构参数对底空腔长度的影响。基于射流微元体受力平衡法,提出了一种求解明流泄水道突扩突跌掺气坎底空腔长度的计算方法,该方法能够全面反映突扩突跌掺气坎底空腔长度受底部掺气坎、侧墙掺气坎结构参数和水力学参数的影响。通过与30组试验资料和已有研究成果的对比,表明所提出的计算方法具有较高的精度。

突跌突扩掺气坎水力特性的三维数值模拟

采取VOF方法和RNG紊流模型对某工程泄洪底孔突跌突扩掺气坎的三维水流进行数值模拟研究,得到了水面线、流速、压力沿程分布、水流空化数和掺气空腔特性等水力学要素,并将部分计算结果与模型试验结果进行了对比,两者符合较好,表明采用数值模拟的方法来研究泄洪底孔突跌突扩掺气坎的复杂流场是可行的,但数值模拟方法还不能有效地预测掺气空腔的回水特性。

三峡工程泄洪深孔突扩跌坎式掺气的试验研究

通过水工模型试验研究，对三峡工程泄洪深孔采用突扩跌坎式掺气，比较了明槽坡度、挑坎高度、侧向折流器型式、出口反弧半径，以及通气孔型式和位置等因素，以优化掺气设施，保证在施工导流期及正常运行期各级库水位下（１３５～１７５ｍ）均能形成稳定空腔，达到掺气减蚀的目的。同时，对此体型设计的一般规律和空腔长度计算方法进行了探讨。

九甸峡泄洪洞突扩跌坎体型的水力学试验

通过水力学模型试验,对偏心铰弧门突扩跌坎体型的水流流态、空腔特性及其对掺气量、侧墙压力分布和水下噪声等的影响进行了观测,对突扩跌坎体型水力及空化特性进行了研究,确定突扩宽度Δb=0.8m,并以突体高度低于4mm作为施工不平整度的控制标准。

高水头泄水建筑物侧墙突扩侧空腔水力特性研究

在前期研究的基础上,对高水头明流泄水建筑采用侧墙突扩和底部突跌联合掺气掺气形式时,侧空腔的影响因素和规律进行了试验研究。根据试验结果分析得出:水流经过掺气坎后,在侧墙上的落水位置主要取决于水舌的横向扩散能力和底部的压力分布,底板上的冲击压力对水舌的横向扩散能力有显著影响,冲击压力是影响侧空腔形成的内因。对侧墙突扩掺气坎形式而言,影响侧空腔长度的主要因素有跌坎高度、突扩宽度和来流佛氏数。

南水北调西线阿安引水隧洞水力学试验研究

南水北调西线阿安引水隧洞具有水头高、流速急、定流量、变闸门开度、水位变幅大等特点,借助于水工模型试验对输水洞在不同工况运用下的水流流态、泄流能力、压力特性及关键部位的空化特性、闸门区水流特性、消能工体型等进行了较系统的研究、分析,并对洞内消能工体型进行优化。在工作闸门区突扩跌坎处,选择合适的体型并严格控制表面不平整度,可达到防止或减小空化的目的。

水布垭水利枢纽放空洞水力学试验研究

水布垭枢纽放空洞主要承担水布垭工程施工期后期导流及完建后大坝检修时放空水库的任务。它具有水头高、流速大、运行时间长、水位变幅大等特点。借助系列水工模型试验对水布垭放空洞的泄流能力、压力特性及关键部位的空化特性、闸门启闭力、出口鼻坎消能工体型及下游冲刷等进行了较深入的研究、分析。提出了一种新型消能工———双曲差动异型鼻坎,该鼻坎有良好的消能效果。在工作闸门区突扩跌坎处,选择合适的体型及通气设施并严格控制表面不平整度,可达到防止或减小空化的目的。

某泄水建筑物底孔掺气减蚀措施优化试验研究

某工程泄水建筑物出口明槽段存在高流速、低空化数、低弗劳德数等较严重的空蚀问题。鉴于底孔原方案出口明槽段估算空化数较小,主要对出口明槽段减蚀方案进行了对比研究,并通过单体模型试验论证,结合工作弧门特殊的水封型式,提出了突扩突跌的掺气体形,通过优化试验研究和实践应用,较好地解决了明槽段的空蚀问题。

明流泄水道突扩突跌掺气设施空腔长度研究

为了查明短有压进口泄洪洞下游明流泄水道上突扩突跌掺气设施底、侧空腔长度随掺气坎尺寸和水流弗劳德数的变化规律,采用模型试验,测试了不同掺气坎尺寸在不同水流条件下的底、侧空腔长度,分析了无量纲底、侧空腔长度与掺气坎尺寸和水流弗劳德数的相互关系。结果表明:底空腔长度随着挑坎高度的增加、挑坎坡度的增大、侧扩宽度的增加和水流弗劳德数的增大而增大;侧空腔长度与挑坎高度、挑坎坡度关系不大,随着侧扩宽度的增加而增大,随水流弗劳德数的变化规律为:当侧扩宽度较大时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而线性增大;当侧扩宽度较小时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而略微减小。