切向入流旋流竖井在深圳市前海-南山排水深层隧道中的应用研究

为探究切向入流旋流竖井的水力特性,采用物理模型手段,结合深圳市前海-南山排水深层隧道中郑宝坑渠旋流竖井方案,研究旋流竖井内的水流流态、消能特性、排气效果及特征压力值。结果表明:各工况下进口位置处水流逐渐形成水翅,进入竖井后沿内壁形成螺旋跌落流,水流流态较好,当竖井流量极小时竖井内无法形成螺旋跌落流,水流进入竖井后呈射流形态跌落至竖井底部;旋流竖井总消能率在81.9%~89.5%之间,消能率随着流量的增大而逐步减小;旋流竖井相对于传统水工旋流竖井,具有消能效果好、结构简单等优点,在城市深层排水系统中具有较大的应用空间。

旋流竖井起旋室水气两相流数值模拟研究

起旋室是旋流竖井泄洪洞的主要组成部分,为克服传统模型试验对空腔旋流的量测限制,利用RNG k-ε湍流模型对起旋室内气液两相流进行数值计算,获得起旋室内旋流运动的水力特性。计算结果表明近壁面压强沿流程增大,断面压强沿半径趋近线性增加,压强等值线呈现以起旋室中心为圆心的同心圆分布;起旋室同一断面上轴向流速随半径r先减小后增大,切向流速随半径先增大后减小,表现出组合涡分布特征;组合涡指数n处于-0.4~1之间且随半径增大而增大,表明水流从准自由涡主导转变为准强迫涡主导;起旋室内水流运动主要为切向和轴向运动为主,且沿程由切向运动主导逐渐向轴向运动主导转变,与旋流角α沿程变化特征相符合。

高地应力强卸荷下大直径旋流竖井施工技术

针对高地应力区旋流竖井爆破过程出现的片帮和岩爆等问题,依托某水电站泄洪系统,对旋流竖井施工进行研究。为了保证穹顶结构稳定,穹顶中部保留直径为6m,先依次围绕岩柱环向分层爆破穹顶其他范围,再依次分层爆破岩柱;直线段涡室利用原有下平洞,在上平段底采用反井钻法施作直径为2m的溜渣导井,以此释放一部分地应力,直线段涡室沿平面方向划分两个区域,依次分层进行爆破施工;变截面涡室分层每爆破一个循环进尺,直径缩小0.25m;涡井划分层进行爆破施工。通过旋流竖井分区、分台阶、分层的顺序进行爆破,同时配合溜渣导洞、溜渣导井出渣的施工方法,可有效降低开挖阶段片帮和岩爆等风险,确保旋流竖井的顺利施工。

旋流式竖井环形掺气坎的掺气空腔计算

通过试验对旋流式竖井的竖井段流速、压强等进行测量,计算了水流空化数。通过分析,明确了有必要在高水头旋流式竖井泄洪洞中设置掺气减蚀设施。针对旋流竖井环形掺气坎掺气空腔长度的计算问题,从旋流式竖井中水流微团的运动特点出发,运用抛射体理论,推导出旋流式竖井环形掺气坎掺气空腔长度的计算方法,同时将计算结果与试验数据进行了对比,表明给出的计算方法具有一定的精度,可供工程设计参考。在设置环形掺气坎后,对下游竖井段时均压强影响较小,脉动压强有所增大但频率分布以5 Hz以内的低频为主,不会对井壁构成威胁。

竖井式倒虹吸管进水口水力条件的试验研究

长江过江隧道采用了竖井式倒虹吸管的布置形式。利用整体模型试验预测并分析了设计方案进水口及其上游急弯箱涵布置所存在的水力学问题及其成因。试验研究表明,通过适当降低进口底板高程、优化平面线形,在急弯箱涵增设分隔墙、尾坎等综合措施可达到改善进口水流条件的目的,并提出了适用于竖井式倒虹吸管进口的消涡措施,彻底解决了管道水流掺气的问题。

竖井旋流段流速及压强分布特性

为了揭示竖井旋流泄洪洞旋流段流速及压强特性,基于Fluent软件,采用RNG k-ε湍流模型和VOF法,对某一竖井旋流泄洪洞进行了数值模拟,并将部分试验结果与模拟结果进行对比。根据模拟结果分析得出:旋流段壁面压强上大下小,空腔压强下大上小。近壁轴向流速沿程增大,在竖井段增率减小,而径向流速极小可忽略。涡室及渐变段旋流总流速在气水界面最大,沿径向平缓减小,随水层变薄其分布渐趋均匀。空腔气体运动无序,气水界面区域流速梯度最大。断面上旋流切向流速分布为组合涡分布,尤其在涡室及渐变段分布特征明显。

旋流环形堰竖井泄洪洞总溶解气体过饱和生成及输运数值研究

旋流环形堰竖井泄洪洞是一种采用新型入口布置的内消能装置。由于其结构简单、消能效果好且出口无雾化等特点,在水电站应用中得到广泛关注。然而,其泄洪时的总溶解气体(total dissolved gas,TDG)过饱和这一关键问题的研究目前鲜有报道。该文使用VOF模拟泄洪过程中的自由液面,并分析了有顶压板和无顶压板时的流态差异,采用Ansys Fluent结合UDF(user-defined function),模拟泄洪过程中的TDG饱和度,建立了旋流环形堰竖井泄洪洞中TDG的生成和输运模型。结果表明,泄洪流速对TDG饱和度的影响较大:5 000年一遇洪水(流量Q=503.36 m^(3)/s)情况下,TDG饱和度可能超过140%,并在下游保持较高水平;200年一遇洪水(流量Q=248.39m^(3)/s)情况下,最大TDG饱和度可降至约130%,并在下游保持在120%左右。此外,对已建立的三维两相流模型中影响TDG的两个关键参数:掺气率和初始气泡半径进行了敏感性分析。结果发现,TDG饱和度随掺气率的增加和初始气泡半径的减小而增加,且掺气率的影响占主导地位。

阻塞型竖井旋流泄洪洞水力特性研究

为了解决竖井旋流泄洪洞下部出现高速低压而导致的空化空蚀风险,提出在竖井中部设置垂直阻塞的布置形式.主要通过数值模拟的方法,对设置不同收缩度的阻塞竖井旋流泄洪洞的流态、压强、三维流速、空化与消能特性等进行了系统研究.研究结果表明:收缩度不宜过大或过小,过大则泄流能力不足,过小则流场变化不明显.一定收缩度的阻塞有利于减小空径比,增大旋流角,进而增大壁面压强,同时阻塞的存在使得上部旋流合流速与轴向流速减小,这一增压减速效果显著增大了空化数,大大降低发生空化空蚀的风险.另一方面阻塞的设置有效降低了井底水跃与水垫的紊动程度,底板压强值降低,且压强分布更加均匀.虽井底区域消能率有所下降,但旋流区消能率的大幅增加能与之弥补.研究成果充分揭示了阻塞竖井旋流泄洪洞的流场特征,可为其进一步研究应用提供参考.

新型旋流环形堰竖井泄洪洞数值模拟和特性分析

生态环境友好型的洞内旋流消能工是当前泄洪消能领域一个重要的研究热点和方向。为克服以螺旋型经典涡室或传统喇叭形堰构成的旋流竖井泄洪洞易出现的漩涡、气爆、振动、防空蚀设施复杂等难题,改变一般的防漩、消涡观念,提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,虽脱胎于常规喇叭形竖井泄洪洞,但在泄洪流态和消能防蚀方面又另辟蹊径。作为一种新型的旋流布置体型,已有研究缺乏系统性,其复杂的水流特性并不是十分明了。依托广东清远抽水蓄能电站泄洪洞工程,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动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,获得了该新体型旋流空腔流态、自由水面、合成流速、压力等水力要素的分布规律。结果显示:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量值吻合较好,模拟值与初步建立的新体型水力特性理论解析值较为接近,表明解析计算方法具有一定的实用价值。模拟计算结果为进一步明晰新型环形堰竖井泄洪洞各部分水流特性和揭示自调节潜水起旋墩的旋流运动机理提供依据。

新型竖井泄洪洞自调流机理和特性研究

该文提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,在泄洪流态和消能防蚀方面与常规喇叭形竖井泄洪洞有较大不同。为明晰该新体型的调流机理和系统水力特性,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动进行了数值模拟研究,获得了该新体型进水口流态、旋流空腔发展过程、竖井内部流态、平洞自由水面、压力等主要水力要素的分布规律。结果表明:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量趋势上一致,量值上吻合较好。模拟结果也较好揭示了自调节潜水起旋墩的旋流、自调流机理以及泄洪洞的消能原理。

市政排水系统中竖井研究及应用进展

介绍了国内外市政排水系统中常用的四种竖井形式,即跌落式竖井、旋流式竖井、折板竖井和螺旋坡道竖井,总结了这四种竖井形式的研究及应用进展情况,分析了各形式的优缺点及适用范围,并对今后的竖井研究方向进行了展望。