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。

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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

小浪底2号孔板洞中闸室突扩突跌式掺气设施原型观测研究

结合小浪底2号孔板消能泄洪洞中闸室的原型试验,介绍了小浪底2号孔板洞中闸室突扩突跌掺气减蚀设施在100 m以上高水头下的水力特性,说明中闸室设计合理,运行安全。

突扩突跌掺气设施后泄槽底板脉动压力试验研究

有压洞出口后的突扩突跌掺气减蚀设施在水利工程中经常使用。由于水流受边界条件和掺气的影响,其流态和脉动压力往往与普通水槽的情况有很大的不同。通过水工模型试验,对突扩突跌掺气设施后泄槽底板上的脉动压力进行研究,揭示了掺气设施后泄槽底板上不同流动区域的脉动压力特性。从脉动压力的时域过程、均方根值、偏态系数、峰态系数和主频率等多方面得出冲击区、反射区和稳定区脉动压力的特性是不相同的结论。同一流量时,沿流程底板的时均压力都大于脉动压力的均方根值,在冲击区、反射区和稳定区,脉动压力的均方根值分别是同位置时均压力值的约0.5倍、0.6倍和0.7倍。研究成果可为更好地利用突扩突跌掺气设施提供有益的理论和试验依据。

跌坎突扩型消力池脉动压力大涡模拟研究

针对跌坎突扩型消力池底板脉动压力分布较为复杂等问题,基于FLOW-3D软件,采用大涡模型和tru VOF法,模拟得出消力池底板的时均压强、脉动压强均方根、功率谱密度等时均量和脉动量特性,并将模拟结果与试验结果进行对比分析。结果表明:大涡模型能够较好模拟跌坎突扩型消力池底板的水流脉动压力,消力池内水跃区脉动压力主要受低频大尺度旋涡影响。在此基础上,对跌坎突扩型消力池底板脉动压力分布规律进行定性和定量分析,深入研究发现:脉动压强均方根最大值位于消力池前部与泄槽边墙延长线附近区域,涡体和流速脉动分别为影响底流旋滚区和附壁射流区底部脉动压力分布的主要因素,而冲击区由两者共同导致。

前置突扩突跌掺气设施曲线阶梯水流掺气特性数值计算

采用Realizable k-ε紊流模型和水气两相流Mixture模型对不同流量下前置突扩突跌掺气设施曲线阶梯连接段水流进行了数值模拟,得到了连接段边墙、底板及水流内部掺气量分布规律。结果表明:突扩突跌掺气设施形成的掺气空腔长度和形态与试验结果吻合,测点处掺气量的计算值大于试验值,但计算值与试验值随流量增大而增大的变化规律基本一致;在单宽流量大于28 m^(2)/s时,水流通过突扩突跌掺气设施后均能形成稳定的侧空腔和底空腔;在流经阶梯段过程中,掺气作用逐渐从四周向内部发展,最后形成均匀的掺气水流;连接段突扩突跌掺气设施和阶梯的联合作用能够有效地提高水流在底板和边墙处的掺气量;在单宽流量为54 m^(2)/s时,连接段末端掺气均匀水流的掺气量高达20%。通过设置前置突扩突跌掺气设施,能有效提高大单宽流量阶梯水流掺气量,降低泄洪建筑物产生空蚀破坏的风险。

阿尔塔什水利枢纽深孔工作弧门突扩突跌门槽体型试验研究

阿尔塔什水利枢纽是叶尔羌河流域内最大的控制性水库工程,工作弧门的门槽采用突扩突跌坎型式。该工作闸门运行水头高、过流流速大,存在较大的空化空蚀风险。以研究论证工程1#深孔出口工作弧门突扩突跌门槽体型的水力及空化特性为目标,通过减压模型试验,采用三种方案比较优化了突扩突跌门槽区的水流形态。试验结果表明,通过调整突扩后边墙扩散段的扩散角至1.273°,有效消减了下游边墙的水翅强度,门槽段的动水压力、水流空化特性均有明显的改善。提出的水流流态及抗空化特性较好的突扩突跌门槽体型,为今后高水头、大流量深孔工作弧门的门槽体型设计提供了经验和参考。

侧折流器对突扩突跌掺气减蚀的影响研究

突扩突跌式掺气可较好的解决高水头深孔闸门面临的问题,即高速水流下的空化问题和闸门止水问题。但由于多数深孔闸门水头高、流速大,运行安全隐患多,突扩突跌式掺气减蚀设施在应用过程中也出现了不少问题。因此,实际工程应用中对弧门突跌突扩式掺气减蚀设施进行了大量水工模型试验、原型观测,并从两侧突扩宽度、跌坎高度、增设侧掺气坎等方面进行优化研究。以江坪河水电站工程泄洪放空洞弧形工作门突扩突跌式门槽水力学减压模型试验为依托,从水流流态、动水压力以及水流空化特性等方面,对比分析折流器对突扩突跌式掺气减蚀的影响。

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。