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高水头、小底坡泄洪中孔掺气坎体形优化与运行实践

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水力发电 2022年第12期48卷 98-102页

作者：罗永钦谌东升翟秉星杨红宣昆明理工大学云南昆明650500 大唐观音岩水电开发有限公司云南昆明650033

高水头、小底坡、水位变幅大的掺气设施体形优化难度大。某水电站泄洪中孔最大水头达92.37 m,底坡仅5.0%,运行水位变幅为11.37 m,掺气坎体形是设计难点。基于1∶40的单体水工模型试验,对掺气坎的体形进行了系列优化,获得最终推荐体形。... 详细信息

高水头、小底坡、水位变幅大的掺气设施体形优化难度大。某水电站泄洪中孔最大水头达92.37 m,底坡仅5.0%,运行水位变幅为11.37 m,掺气坎体形是设计难点。基于1∶40的单体水工模型试验,对掺气坎的体形进行了系列优化,获得最终推荐体形。研究表明:采用“坎下局部变坡+小挑坎+掺气槽”的设计,能满足高水头、小底坡、水位变幅大的泄槽掺气要求,各道掺气坎均能形成稳定空腔,掺气效果较好;掺气挑坎的细节尺寸对掺气效果极为敏感;建议建立掺气空腔与其影响因子的数学分析模型,以获得掺气坎优化体形的最佳解。该工程目前已运行近7年,总体效果良好,但突扩突跌后的侧墙发生了局部空蚀,表明对高水头泄水建筑物,宜同时采用减压模型全面、充分论证其局部空化特性。

关键词：高水头小底坡水位变幅大双泄中孔掺气坎体形优化

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泄洪洞变底坡掺气坎掺气特性研究

水利水电快报 2024年第8期45卷 78-83页

作者：宋凯陈利强张陆陈杨正丽叶俊荣长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430010 国家大坝安全工程技术研究中心湖北武汉430010 南京水利科学研究院水文水利与水利工程国家重点实验室江苏南京210029 四川大学水利水电学院四川成都610065

针对高水头小底坡泄洪洞采用常规挑(跌)坎存在的空腔回水现象严重、稳定性差、水头变幅适应性差等问题,通过模型试验的方法,结合如美水电站放空洞,对“挑坎+平缓坡+陡坡”的变底坡形式掺气坎进行系统研究,揭示了变底坡掺气坎各部位(挑(... 详细信息

针对高水头小底坡泄洪洞采用常规挑(跌)坎存在的空腔回水现象严重、稳定性差、水头变幅适应性差等问题,通过模型试验的方法,结合如美水电站放空洞,对“挑坎+平缓坡+陡坡”的变底坡形式掺气坎进行系统研究,揭示了变底坡掺气坎各部位(挑(跌)坎、平缓坡段以及陡坡段)对掺气空腔的影响机理。结果表明:在水位大幅变化过程中,变底坡掺气坎对应的空腔充满回水的临界水头值为73.5 m,比常规掺气坎提高了29.4 m。研究结果可为高水头小底坡泄洪洞的掺气设施布置提供参考。

关键词：泄洪洞变底坡掺气坎小底坡掺气空腔掺气浓度水头适应性

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某大型水利工程长洞线缓底坡多级掺气设施优化研究

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某大型水利工程长洞线缓底坡多级掺气设施优化研究

作者：郭港归西安理工大学

学位级别：硕士

高水头泄水建筑物空化空蚀问题显著,掺气是一种有效的减蚀措施。而对于底坡缓、Fr低的泄洪放空洞,这种结构下因掺气坎下积水严重,导致水流掺气困难,必须通过优化掺气设施降低空腔回水。本文以实际工程中某大型水电站泄洪放空洞为研究对... 详细信息

高水头泄水建筑物空化空蚀问题显著,掺气是一种有效的减蚀措施。而对于底坡缓、Fr低的泄洪放空洞,这种结构下因掺气坎下积水严重,导致水流掺气困难,必须通过优化掺气设施降低空腔回水。本文以实际工程中某大型水电站泄洪放空洞为研究对象,采用数值模拟的方法研究了不同跌坎坎高、底坡坡度对空腔积水深度和净空腔长度的影响;分析了平面梯形坎、平面凹型坎、平面凸型坎对空腔回水的作用机制;数值优化获得了合理的掺气坎体型,并通过物理模型试验的方法对泄洪放空洞的水力特性进行测量和分析,验证优化方案是否合理。基于支持向量机的方法,建立了预测空腔积水深度和空腔长度的机器学习模型,分析了不同无量纲参数组合对模型预测精度的影响。主要研究及成果如下:(1)依据某大型水利工程,采用RNG k-ε紊流模型,利用VOF法捕捉空腔积水和自由表面,对泄洪放空洞进行三维数值模拟,得到了水面线及空腔形态、压强分布等水力要素。并将试验值与数值模拟计算的结果进行对比,结果表明模拟值与试验值吻合较好,说明数值模型能够准确计算各水力要素;原方案1#、2#掺气坎存在大量空腔回水问题,且2#掺气坎下游水面波动大,洞室两侧水深接近洞顶直墙高度,水流流态差。(2)针对原方案前两道掺气坎存在空腔积水的问题,研究减少积水的主要因素,主要包括不同坎高、底坡坡度和新型掺气坎体型对空腔积水的影响。结果表明,随着坎高降低、底坡增加,空腔回水呈现下降的趋势。当空腔体积大时,影响空腔积水的主要原因是水舌冲击角较大所致;当空腔体积较小时,空腔积水的形成除了水舌冲击角以外,还需要考虑负压的影响。分析平面梯形坎、平面凸型坎、平面凹型坎和普通坎的底部水舌形态、落点区水流结构、紊动能分布,发现新型掺气坎减缓空腔积水的主要原理是依据水舌落点在横向上的分布不同,落点较短的水流去抵挡落点较远产生的回流,从而减缓空腔回水,且经对比发现平面梯形坎、平面凹型坎减缓回水的作用较好。分析以上规律后选定1、2#掺气坎的体型结构,通过物理模型试验对6种工况下泄洪放空洞的泄流能力、水面线、压强、通气量和掺气浓度进行分析,发现优化方案积水较少,掺气空腔能够形成稳定进气,2#掺气坎下游流态较好。(3)通过python语言构建支持向量机模型,研究了4种训练集抽取比例、12组输入变量组合,通过网格搜索和交叉验证的方法研究超参数的分布规律,并对空腔积水和空腔长度进行预测。结果表明,训练集抽取比例会显著影响模型预测的准确性;支持向量机模型超参数之间存在相互制约的关系,从而提高了模型泛化性能;保持模型的复杂度与样本的复杂度一致且在合理的输入组合下能够实现模型对空腔积水和空腔长度的准确预测。

关键词：小底坡低弗劳德数空腔回水数值模拟支持向量机

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猴子岩放空洞掺气减蚀措施研究

人民黄河 2010年第1期32卷 91-93页

作者：刘军邓军谢波刘斌四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

猴子岩放空洞具有高水头、小底坡的特点,明流段底坡仅为0.052 8,掺气坎后难以形成空腔,经3组优化体形方案对比,考虑下游流速较小,提出对上游段局部加陡变底坡设三级掺气坎的方案,具体为中闸室出口处采用突扩突跌、随后两级为挑跌坎的形... 详细信息

猴子岩放空洞具有高水头、小底坡的特点,明流段底坡仅为0.052 8,掺气坎后难以形成空腔,经3组优化体形方案对比,考虑下游流速较小,提出对上游段局部加陡变底坡设三级掺气坎的方案,具体为中闸室出口处采用突扩突跌、随后两级为挑跌坎的形式,获得了稳定的掺气空腔,起到了良好的掺气保护作用。对优化后的体形校核工况进行了三维数值模拟,并对水面线、流速、压力、空腔进行了计算,计算值与试验值符合良好。

关键词：小底坡掺气局部加陡模型试验三维数值模拟