龍?zhí)ь^泄洪洞反弧段下游側(cè)墻摻氣減蝕研究.pdf

1、龍?zhí)ь^式泄洪洞在中、高水頭的水利水電工程中應(yīng)用十分普遍，其突出的水力學(xué)問題是反弧段的空蝕破壞，反弧段空蝕破壞的部位常見于反弧末端、反弧段下游底板和反弧段下游側(cè)墻。為了減免泄洪洞的空蝕破壞，一般采用底部進(jìn)氣的摻氣設(shè)施。我國(guó)大型龍?zhí)ь^泄洪洞運(yùn)行表明，采用常規(guī)的底部進(jìn)氣的摻氣設(shè)施后，反弧段下游側(cè)墻仍可能出現(xiàn)空蝕破壞，這提出了兩個(gè)值得研究的重要問題：采用常規(guī)摻氣減蝕設(shè)施后，大型龍?zhí)ь^泄洪洞反弧段下游側(cè)墻為什么仍會(huì)出現(xiàn)空蝕破壞，采取何種措施才能有

2、效地減免反弧段下游側(cè)墻的空蝕破壞。大型龍?zhí)ь^泄洪洞反弧段下游一般均具有流速高、單寬流量大、佛氏數(shù)低、底坡小的特征，使其摻氣減蝕設(shè)施體型設(shè)計(jì)有較大困難，反弧末端的摻氣設(shè)施，由于水流受反弧段離心力的影響，其體型設(shè)計(jì)的難度更大，如何優(yōu)化小底坡、低佛氏數(shù)泄洪洞上的摻氣設(shè)施體型，這也是值得研究的問題。 本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用大比尺的模型試驗(yàn)，結(jié)合紊流數(shù)值模擬，分析了采用常規(guī)摻氣減蝕設(shè)施后，大型龍?zhí)ь^泄洪洞反弧段下游側(cè)墻仍可能

3、出現(xiàn)空蝕破壞的原因；首次提出了解決泄洪側(cè)墻空蝕破壞的側(cè)墻摻氣方案；從三維角度提出了小低坡、低佛氏數(shù)泄洪洞摻氣坎體型優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些建議。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： （1）試驗(yàn)研究表明，采用常規(guī)的摻氣設(shè)施后，反弧段下游邊墻仍容易空蝕破壞的原因主要在于：反弧末端采用常規(guī)的底部摻氣設(shè)施后，摻氣坎后的出射水流，其底部受摻氣空腔的影響，壓強(qiáng)接近于空腔負(fù)壓，其頂部與洞頂余幅中的氣流相接，其壓強(qiáng)接近大氣壓強(qiáng)，空腔段邊壁處動(dòng)水壓強(qiáng)小，水流空化數(shù)很低

4、，水流容易空化；同時(shí)，反弧段前的摻氣坎（1號(hào)坎）的進(jìn)氣受反弧段離心力的影響，氣泡加速上浮，水流至反弧末端時(shí)摻氣濃度已經(jīng)很小，而此時(shí)反弧段下游水流表面自摻氣向全水深的擴(kuò)散尚不夠充分，反弧末端摻氣坎（2號(hào)坎）底部強(qiáng)迫摻氣也尚未充分?jǐn)U散，致使反弧段下游附近邊墻容易存在較大范圍的摻氣盲區(qū)。 （2）分析了反弧段上游摻氣坎對(duì)反弧段下游側(cè)墻的摻氣減蝕效果。結(jié)果表明，優(yōu)化反弧段前的摻氣坎（1號(hào)坎）體型，增加其摻氣能力，雖能一定程度提高反弧末端摻

5、氣坎（2號(hào)坎）下游邊墻摻氣濃度，但難以完全消除該邊墻清水區(qū)，且同時(shí)易引起高水位小開度工況下1號(hào)坎出射水流流態(tài)的惡化，這也表明，在實(shí)際工程中僅靠?jī)?yōu)化反弧段前摻氣坎體型減免反弧段下游側(cè)墻的空蝕具有一定難度。 （3）研究了采用人工強(qiáng)迫通氣減免反弧段下游側(cè)墻空蝕的可行性。研究表明，利用1號(hào)坎空腔進(jìn)行人工強(qiáng)迫通氣，增加1號(hào)坎通氣量，雖能一定程度提高2號(hào)坎下游邊墻摻氣濃度，但仍難以完全消除2號(hào)坎下游邊墻的清水區(qū)；在邊墻清水區(qū)直接人工強(qiáng)迫通氣

6、時(shí)，通進(jìn)側(cè)壁的氣流不易擴(kuò)散，由于沿邊墻高度各點(diǎn)動(dòng)水壓力不一樣，而氣流對(duì)壓力的變化十分敏感，很難保障沿邊墻高度摻氣的均勻性；同時(shí)，人工強(qiáng)迫通氣方案所需動(dòng)力設(shè)備十分龐大，在實(shí)際工程中采用人工強(qiáng)迫通氣減免反弧段下游側(cè)墻的空蝕具有很大難度。 （4）提出了反弧末端采用跌坎上游側(cè)墻突縮（側(cè)墻貼角）和跌坎下游側(cè)墻突擴(kuò)兩種側(cè)墻摻氣方案，并進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，反弧末端采用側(cè)墻貼角或邊墻突擴(kuò)均能有效地形成側(cè)空腔進(jìn)行側(cè)摻氣，即使形成較

7、小的側(cè)空腔，也能明顯提高反弧段下游邊墻近壁摻氣濃度，有效消除原邊墻清水區(qū)。側(cè)墻貼角的坎高和坡度的變化對(duì)下游水流流態(tài)的影響十分明顯，當(dāng)側(cè)墻貼角坎高、坡度較大，會(huì)出現(xiàn)射流落水點(diǎn)下游兩側(cè)水翅串頂?shù)牟焕鲬B(tài)，當(dāng)側(cè)墻貼角尺寸較小時(shí)，形成的側(cè)空腔較小，能保證水流具有較好的流態(tài)。 （5）對(duì)反弧末端側(cè)墻突縮突擴(kuò)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，用紊流數(shù)學(xué)模型來模擬泄洪洞反弧末端側(cè)墻突擴(kuò)突縮是基本可行的。數(shù)值模擬表明，不論是跌坎上游側(cè)墻突縮，還是跌坎下游

8、側(cè)墻突擴(kuò)，當(dāng)突縮突擴(kuò)尺寸較大時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)反弧末端過坎射流落水點(diǎn)下游兩側(cè)水翅串頂?shù)牟焕鲬B(tài)。其控制條件為底空腔和側(cè)空腔的相對(duì)長(zhǎng)度，當(dāng)側(cè)空腔長(zhǎng)度大于底空腔長(zhǎng)度時(shí)，較長(zhǎng)的側(cè)空腔就為跌落至底板的紊動(dòng)水流提供了流動(dòng)通道，會(huì)出現(xiàn)不利流態(tài)，反之，當(dāng)側(cè)空腔長(zhǎng)度較小時(shí)，能形成較好的流態(tài)。過坎水流落水點(diǎn)下游的流態(tài)對(duì)跌坎上游側(cè)墻突縮體型尺寸較為敏感。相對(duì)而言，對(duì)跌坎下游側(cè)墻突擴(kuò)的體型尺寸就不那么敏感。數(shù)值模擬也證實(shí)，采用較小的突縮突擴(kuò)尺寸，形成較小的側(cè)空腔，

9、能滿足進(jìn)行側(cè)摻氣的同時(shí)具有較好的流場(chǎng)特性。 （6）從三維摻氣坎的角度，對(duì)小底坡、低佛氏數(shù)泄洪洞摻氣坎體型優(yōu)化的初步研究表明，小底坡上的摻氣坎，可用過坎射流最高點(diǎn)至底板的距離T<,max>和空腔回水作為其體型優(yōu)化的主要目標(biāo)，良好的摻氣坎應(yīng)使T<,max>及空腔回水最小。T<,max>的主要影響因素為平均坎高及摻氣坎橫斷面的型式，平均坎高愈小，T愈?。粰M斷面為凸型的凸型坎，可以減弱出射水流橫斷面上水面線的凹形分布，能使T<

10、,max>相對(duì)較?。豢涨换厮闹饕绊懸蛩貫槠骄哺呒翱哺卟?，適當(dāng)增加平均坎高及橫向坎高差，對(duì)消除空腔回水有利。在小底坡?lián)綒饪搀w型優(yōu)化中，三維摻氣坎較二維連續(xù)坎有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是凸型坎，容易達(dá)到T<,max>較小，同時(shí)空腔回水也少的優(yōu)化目標(biāo)。 （7）本文的研究成果已應(yīng)用于二灘一號(hào)泄洪洞的修復(fù)工程中，原型觀測(cè)資料證實(shí)，本文的研究成果成功地解決了我國(guó)大型泄洪洞出現(xiàn)的空蝕破壞問題，這表明本文的研究成果能夠用于實(shí)際工程，對(duì)今后同類工程