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龙抬头泄洪洞反弧段下游侧墙掺气减蚀研究

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1综述

2龙抬头泄洪洞反弧段下游边墙易蚀原因分析

3反弧段上游掺气坎对反弧段下游侧墙的减蚀效果

4泄洪洞侧墙的人工强迫掺气减蚀研究

5反弧末端侧墙突缩突扩掺气减蚀试验研究

6泄洪洞反弧末端侧墙突缩突扩数值模拟

7小底坡、低Fr数泄洪洞掺气坎体型优化研究

8本文研究成果的工程应用

9结论

作者在读期间发表论文及参加科研项目情况

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致谢

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摘要

龙抬头式泄洪洞在中、高水头的水利水电工程中应用十分普遍，其突出的水力学问题是反弧段的空蚀破坏，反弧段空蚀破坏的部位常见于反弧末端、反弧段下游底板和反弧段下游侧墙。为了减免泄洪洞的空蚀破坏，一般采用底部进气的掺气设施。我国大型龙抬头泄洪洞运行表明，采用常规的底部进气的掺气设施后，反弧段下游侧墙仍可能出现空蚀破坏，这提出了两个值得研究的重要问题：采用常规掺气减蚀设施后，大型龙抬头泄洪洞反弧段下游侧墙为什么仍会出现空蚀破坏，采取何种措施才能有效地减免反弧段下游侧墙的空蚀破坏。大型龙抬头泄洪洞反弧段下游一般均具有流速高、单宽流量大、佛氏数低、底坡小的特征，使其掺气减蚀设施体型设计有较大困难，反弧末端的掺气设施，由于水流受反弧段离心力的影响，其体型设计的难度更大，如何优化小底坡、低佛氏数泄洪洞上的掺气设施体型，这也是值得研究的问题。 本文在总结前人研究成果的基础上，采用大比尺的模型试验，结合紊流数值模拟，分析了采用常规掺气减蚀设施后，大型龙抬头泄洪洞反弧段下游侧墙仍可能出现空蚀破坏的原因；首次提出了解决泄洪侧墙空蚀破坏的侧墙掺气方案；从三维角度提出了小低坡、低佛氏数泄洪洞掺气坎体型优化设计的一些建议。主要研究内容和成果如下： （1）试验研究表明，采用常规的掺气设施后，反弧段下游边墙仍容易空蚀破坏的原因主要在于：反弧末端采用常规的底部掺气设施后，掺气坎后的出射水流，其底部受掺气空腔的影响，压强接近于空腔负压，其顶部与洞顶余幅中的气流相接，其压强接近大气压强，空腔段边壁处动水压强小，水流空化数很低，水流容易空化；同时，反弧段前的掺气坎（1号坎）的进气受反弧段离心力的影响，气泡加速上浮，水流至反弧末端时掺气浓度已经很小，而此时反弧段下游水流表面自掺气向全水深的扩散尚不够充分，反弧末端掺气坎（2号坎）底部强迫掺气也尚未充分扩散，致使反弧段下游附近边墙容易存在较大范围的掺气盲区。 （2）分析了反弧段上游掺气坎对反弧段下游侧墙的掺气减蚀效果。结果表明，优化反弧段前的掺气坎（1号坎）体型，增加其掺气能力，虽能一定程度提高反弧末端掺气坎（2号坎）下游边墙掺气浓度，但难以完全消除该边墙清水区，且同时易引起高水位小开度工况下1号坎出射水流流态的恶化，这也表明，在实际工程中仅靠优化反弧段前掺气坎体型减免反弧段下游侧墙的空蚀具有一定难度。 （3）研究了采用人工强迫通气减免反弧段下游侧墙空蚀的可行性。研究表明，利用1号坎空腔进行人工强迫通气，增加1号坎通气量，虽能一定程度提高2号坎下游边墙掺气浓度，但仍难以完全消除2号坎下游边墙的清水区；在边墙清水区直接人工强迫通气时，通进侧壁的气流不易扩散，由于沿边墙高度各点动水压力不一样，而气流对压力的变化十分敏感，很难保障沿边墙高度掺气的均匀性；同时，人工强迫通气方案所需动力设备十分庞大，在实际工程中采用人工强迫通气减免反弧段下游侧墙的空蚀具有很大难度。 （4）提出了反弧末端采用跌坎上游侧墙突缩（侧墙贴角）和跌坎下游侧墙突扩两种侧墙掺气方案，并进行了较为系统的试验研究。结果表明，反弧末端采用侧墙贴角或边墙突扩均能有效地形成侧空腔进行侧掺气，即使形成较小的侧空腔，也能明显提高反弧段下游边墙近壁掺气浓度，有效消除原边墙清水区。侧墙贴角的坎高和坡度的变化对下游水流流态的影响十分明显，当侧墙贴角坎高、坡度较大，会出现射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态，当侧墙贴角尺寸较小时，形成的侧空腔较小，能保证水流具有较好的流态。 （5）对反弧末端侧墙突缩突扩进行了数值模拟。结果表明，用紊流数学模型来模拟泄洪洞反弧末端侧墙突扩突缩是基本可行的。数值模拟表明，不论是跌坎上游侧墙突缩，还是跌坎下游侧墙突扩，当突缩突扩尺寸较大时，均会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度，当侧空腔长度大于底空腔长度时，较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道，会出现不利流态，反之，当侧空腔长度较小时，能形成较好的流态。过坎水流落水点下游的流态对跌坎上游侧墙突缩体型尺寸较为敏感。相对而言，对跌坎下游侧墙突扩的体型尺寸就不那么敏感。数值模拟也证实，采用较小的突缩突扩尺寸，形成较小的侧空腔，能满足进行侧掺气的同时具有较好的流场特性。 （6）从三维掺气坎的角度，对小底坡、低佛氏数泄洪洞掺气坎体型优化的初步研究表明，小底坡上的掺气坎，可用过坎射流最高点至底板的距离T<,max>和空腔回水作为其体型优化的主要目标，良好的掺气坎应使T<,max>及空腔回水最小。T<,max>的主要影响因素为平均坎高及掺气坎横断面的型式，平均坎高愈小，T愈小；横断面为凸型的凸型坎，可以减弱出射水流横断面上水面线的凹形分布，能使T<,max>相对较小；空腔回水的主要影响因素为平均坎高及坎高差，适当增加平均坎高及横向坎高差，对消除空腔回水有利。在小底坡掺气坎体型优化中，三维掺气坎较二维连续坎有明显的优势，特别是凸型坎，容易达到T<,max>较小，同时空腔回水也少的优化目标。 （7）本文的研究成果已应用于二滩一号泄洪洞的修复工程中，原型观测资料证实，本文的研究成果成功地解决了我国大型泄洪洞出现的空蚀破坏问题，这表明本文的研究成果能够用于实际工程，对今后同类工程有重要示范作用。

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