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挑坎+过渡阶梯的组合设施对一体化消能工的影响研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2018年第6期33卷 807-815页

作者：董丽艳杨具瑞昆明理工大学现代农业工程学院

为更清楚地认识前置掺气坎与过渡阶梯组合掺气设施对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工的影响研究,该文对其空腔个数、掺气特性、时均压强和消能率进行了分析研究,得到了不同掺气坎角度对该消能工的影响规律,并与不设前置掺气坎但... 详细信息

为更清楚地认识前置掺气坎与过渡阶梯组合掺气设施对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工的影响研究,该文对其空腔个数、掺气特性、时均压强和消能率进行了分析研究,得到了不同掺气坎角度对该消能工的影响规律,并与不设前置掺气坎但设置过渡阶梯及不设前置掺气坎和过渡阶梯的一体化消能工的影响规律进行了对比分析。研究表明:随着掺气角度增大,空腔个数增多,掺气也越充分,消能率也在增长,但差异不大;5种方案的掺气浓度、时均压强变化规律基本相似,但前4种方案在过渡台阶段掺气浓度呈下降趋势,未设掺气挑坎的方案四和方案五时均压强在桩号0+44.53m处比较大,而设有挑坎体型的台阶段在0+44.53m处均比较小;设有前置掺气坎的3种方案在第一台阶水平面无负压产生;5种方案均在第二台阶立面凸角上缘出现最大负压,其中方案五的最大负压最大,为-0.36kPa,方案三的最大负压最小,为-0.091kpa,方案一的最大负压为-0.143kpa,方案二的最大负压为-0.117kpa,方案四的最大负压为-0.33kpa。该组合掺气体型对类似工程提供了借鉴依据。

关键词：前置掺气坎过渡阶梯掺气减蚀负压空腔

过渡阶梯大小对一体化消能工消能特性的影响研究

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水力发电 2017年第7期43卷 46-52页

作者：王强杨具瑞张钟阳杨恩其石碧海蒋瑜铜仁学院农林工程与规划学院贵州铜仁554300 昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500

由"宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池"组成的一体化消能工在现代高水头大单宽泄流量的水利水电工程建设中得到广泛的应用。基于阿海水电站,研究了WES曲面与阶梯溢流坝连接处的连接形式对该消能工水力特性的影响。采用水气两相流VOF计算方法辅... 详细信息

由"宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池"组成的一体化消能工在现代高水头大单宽泄流量的水利水电工程建设中得到广泛的应用。基于阿海水电站,研究了WES曲面与阶梯溢流坝连接处的连接形式对该消能工水力特性的影响。采用水气两相流VOF计算方法辅以三维RNG k-ε湍流数值模型,对分别由12个0.5 m×0.375 m(高×宽)台阶、6个1 m×0.75 m(高×宽)台阶、3个2 m×1.5 m(高×宽)台阶以及2个3 m×2.25 m(高×宽)台阶组成的过渡阶梯进行三维数值模拟。研究结果表明:随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,溢流坝面最大湍流动能k逐渐减小,最大湍流耗散率ε逐渐增大,消能率也将逐渐增大;k及ε在消力池内分布规律基本一致,主要分布在消力池前端的底部和中部。由2个3 m×2.25 m(高×宽)台阶组成的过渡阶梯消能效果最好。

关键词：三维数值模拟过渡阶梯湍流动能湍流耗散率消能率阿海水电站

过渡阶梯台阶尺寸对一体化联合消能工坝面掺气及负压特性的影响研究

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水力发电 2020年第10期46卷 56-62页

作者：王强杨具瑞杨正林蒋瑜杨恩其铜仁学院农林工程与规划学院贵州铜仁554300 昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500 铜仁市水利电力勘测设计院有限公司贵州铜仁554300

基于阿海水电站一体化联合消能工,采用三维数值模拟探讨过渡阶梯不同台阶尺寸对一体化联合消能工坝面掺气及负压特性的影响。结果表明,随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,阶梯坝面掺气空腔长度、掺气空腔面积和沿程掺气浓度逐渐增大;坝面最小... 详细信息

基于阿海水电站一体化联合消能工,采用三维数值模拟探讨过渡阶梯不同台阶尺寸对一体化联合消能工坝面掺气及负压特性的影响。结果表明,随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,阶梯坝面掺气空腔长度、掺气空腔面积和沿程掺气浓度逐渐增大;坝面最小掺气空腔不在水舌对称中心剖面,而在每股对冲水流的中心剖面处产生。当过渡阶梯台阶尺寸较小时,负压等值线分布在过渡阶梯的前几级台阶,随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,负压等值线均分布在过渡阶梯的首级台阶内;首级台阶竖直壁面上边缘水气掺混区压强变化梯度最大;增大或减小过渡阶梯台阶尺寸,均有助于减小阶梯溢流坝面负压。故适当增大过渡阶梯台阶尺寸,既有助于提高坝面掺气效果,又可以减小坝面负压从而有效避免空蚀空化破坏。

关键词：过渡阶梯掺气空腔负压三维数值模拟

不同台阶数的过渡阶梯对阶梯溢流坝面压强及消能特性的影响研究

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水力发电学报 2016年第5期35卷 84-93页

作者：王强杨具瑞武振中张靓江时俊李谈谈昆明理工大学现代农业工程学院昆明650500

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工很好的解决了我国由于大单宽流量和高水头等引起的高速水流问题,该消能工常采用过渡阶梯连接宽尾墩与阶梯溢流坝。本文基于阿海水电站溢流表孔,应用水汽两相流VOF计算方法的三维RNG k-ε湍流数值模... 详细信息

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工很好的解决了我国由于大单宽流量和高水头等引起的高速水流问题,该消能工常采用过渡阶梯连接宽尾墩与阶梯溢流坝。本文基于阿海水电站溢流表孔,应用水汽两相流VOF计算方法的三维RNG k-ε湍流数值模型,速度与压力采用PISO耦合的算法方式,利用几何重建格式对水气交界面附近进行插值的非恒定流迭代求解,对1个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯,2个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯,3个高2 m、宽1.5 m台阶组成的过渡阶梯和原工况四种方案的宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工进行三维流场数值模拟。结果表明:各方案均在首级阶梯内产生负压,且前三种工况在首级阶梯固壁压强分布基本一致,竖直壁面最大负压均出现在桩号22.56 m附近,其最大负压(-0.899 k Pa)较原工况最大负压(-4.469 k Pa)小。同时前三种工况水平壁面最大负压(-0.597 k Pa)较原工况最大负压(-3.898 k Pa)也小。即过渡阶梯的台阶数对负压分布影响不大。在消能方面,有2个台阶组成的过渡阶梯对阶梯溢流坝的消能率最高(为34.205%),其中过渡阶梯的首级台阶对阶梯溢流坝的消能效果影响最大。

关键词：工程水力学过渡阶梯三维数值模拟阶梯溢流坝消能率

不同体型过渡阶梯对联合消能工水力特性的影响研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2018年第5期33卷 658-665页

作者：郭莹莹杨具瑞张勤叶小胜昆明理工大学现代农业工程学院昆明650500

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能方式在宣泄高水头、大单宽流量时出现坝面掺气不充分及空化空蚀问题。该文通过水工模型试验,对比分析三种过渡阶梯与阿海原型工况共4种方案下,掺气空腔、台阶面负压及沿程时均压强等水力特性。试验结... 详细信息

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能方式在宣泄高水头、大单宽流量时出现坝面掺气不充分及空化空蚀问题。该文通过水工模型试验,对比分析三种过渡阶梯与阿海原型工况共4种方案下,掺气空腔、台阶面负压及沿程时均压强等水力特性。试验结果表明:各方案的最大负压均出现在首级台阶立面,方案三由4个25 mm×18.75 mm(高×宽)台阶组成的过渡阶梯产生的最大负压最小,为-0.11 kPa,比原型方案由6个16.67 mm×12.50 mm(高×宽)台阶组成过渡阶梯产生的最大负压减少了0.19 kPa,比方案四由3个33.33 m×25 mm(高×宽)台阶组成的过渡台阶减少了0.08 kPa。从消能方面看,方案三的消能效果最佳,消能率为63.19%,比方案二的消能率62.38%增加了1.3%,比方案四的消能率63.03%增加了0.25%。因此,适度增大过渡台阶尺寸,有利于阶梯面与挑射水流之间形成足够、稳定的气体空腔,减少台阶面负压,相应地提高了消能效果。

关键词：过渡阶梯掺气空腔负压消能率模型试验

掺气坎与过渡阶梯联合作用对阶梯面掺气特性的影响研究

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中国农村水利水电 2020年第3期 98-104页

作者：汤建青杨具瑞昆明理工大学现代农业工程学院昆明650500

阶梯溢流坝面的掺气特性是联合消能工发展的桎梏,而掺气坎与过渡阶梯对阶梯面掺气特性有积极的影响,通过水工模型的方法,结合阿海水电站进行12组试验。研究掺气坎高度11.67、16.67 mm和角度8°、10°以及4种组合过渡阶梯联合作用下,对... 详细信息

阶梯溢流坝面的掺气特性是联合消能工发展的桎梏,而掺气坎与过渡阶梯对阶梯面掺气特性有积极的影响,通过水工模型的方法,结合阿海水电站进行12组试验。研究掺气坎高度11.67、16.67 mm和角度8°、10°以及4种组合过渡阶梯联合作用下,对阶梯面掺气特性的影响。结果表明:掺气坎角度10°、高度16.67 mm这种体型比其他7组掺气坎体型更优,故掺气坎角度与高度适当增加可使水流下缘接触阶梯面的位置后移,掺气空腔长度、掺气面积以及掺气浓度亦随之增大;并且在此掺气坎体型的基础上,过渡阶梯设置为25 mm×33.33 mm(宽×高)的大阶梯,阶梯面掺气特性相对其他3种体型更优,故过渡阶梯体型适度增加,更有利于过渡阶梯进行掺气。通过12组试验的结果分析得出,前置掺气坎角度为10°、高度为16.67 mm、过渡阶梯设置为25 mm×33.33 mm(宽×高)的大阶梯时,阶梯溢流坝面的掺气特性为12种方案中相对最优。

关键词：过渡阶梯掺气坎掺气特性阶梯面泄水建筑物

不同大小台阶组合的过渡阶梯对阶梯溢流坝面压强特性的影响

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水力发电 2018年第3期44卷 42-46页

作者：王强杨具瑞龙远莎蒋瑜卜宁万云娇铜仁学院农林工程与规划学院贵州铜仁554300 昆明理工大学现代农业工程学院云南昆明650500

基于阿海水电站,采用水气两相流VOF方法,辅以三维RNGk-ε湍流数值模型,对由不同大小台阶组合的过渡阶梯一体化消能工进行三维数值模拟。研究结果表明:当过渡阶梯台阶尺寸较小时,负压分布在前几级台阶,且负压较小;当过渡阶梯首级台阶尺... 详细信息

基于阿海水电站,采用水气两相流VOF方法,辅以三维RNGk-ε湍流数值模型,对由不同大小台阶组合的过渡阶梯一体化消能工进行三维数值模拟。研究结果表明:当过渡阶梯台阶尺寸较小时,负压分布在前几级台阶,且负压较小;当过渡阶梯首级台阶尺寸较大时,负压主要分布在首级台阶内,随着首级台阶尺寸的增大,负压将逐渐减小;阶梯壁面负压沿水舌两边缘向中心剖面先迅速增大,然后略有减小,坝面最大负压并不在水舌底部的中心剖面处。

关键词：工程水力学数值模拟过渡阶梯台阶组合阿海水电站

大小台阶组合的过渡阶梯对阶梯溢流坝水力特性影响研究

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大小台阶组合的过渡阶梯对阶梯溢流坝水力特性影响研究

作者：王强昆明理工大学

学位级别：硕士

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工的应用,为我国解决由于大单宽流量和高水头等引起的高速水流问题得到新的突破,但随着单宽流量和水头的增大,掺气问题、空蚀空化问题以及消能率逐渐降低的问题日益突出。为了解决以上问题,需要在水... 详细信息

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工的应用,为我国解决由于大单宽流量和高水头等引起的高速水流问题得到新的突破,但随着单宽流量和水头的增大,掺气问题、空蚀空化问题以及消能率逐渐降低的问题日益突出。为了解决以上问题,需要在水舌底部与溢流坝面创造掺气条件,在实际工程应用中常在宽尾墩下的WES曲面与阶梯溢流坝连接处设前置掺气坎和过渡阶梯,以增加掺气效果,改变压强特性和消能特性。故本文基于阿海电站溢流表孔,应用水汽两相流VOF计算方法的三维RNG k-ε湍流数值模型,对不同大小台阶组合的过渡阶梯进行三维数值模拟。探讨过渡阶梯的不同大小台阶组合方案对坝面掺气特性、压强分布、空化空蚀以及消能机理等的影响,为完善宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工提供参考。得到主要研究结论如下。(1)随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,阶梯溢流坝面掺气空腔及掺气空腔长度也逐渐增加,坝面掺气更加充分,避免阶梯坝面免受空蚀空化破坏。(2)掺气浓度随着过渡阶梯台阶尺寸的增大而增大,同时各方案沿阶梯溢流坝面向下沿程掺气浓度总体呈现减小趋势,但波动较大,其中各方案沿程掺气浓度均在第10-14级台阶处达到极小值。典型台阶竖直壁面掺气浓度沿壁面向下掺气浓度有逐渐减小的趋势,沿水平壁面掺气浓度有逐渐增大的趋势。(3)各方案均在掺气空腔内产生局部负压,且主要分布在首级台阶内,最大负压基本均发生在22.56m附近;其中由6个高×宽=1m×0.75m台阶组成的过渡阶梯竖直和水平壁面最大负压分别为-4.469kPa和-3.898kPa,较其他方案为大,减小或增大过渡阶梯台阶尺寸,都有助于减小阶梯壁面负压。(4)随着过渡阶梯台阶尺寸的增大,消能率逐渐增大,同时各方案消能率沿着消力池向后逐渐增大,但消能率增速将逐渐减小。其中由2个高×宽=3m×2.25m台阶组成的过渡阶梯方案对水流的消能率最高,消能率沿着消力池向后从首个计算断面的29.79%增加到最后一个计算断面的55.86%,较其他方案为大,其中过渡阶梯的首级台阶对阶梯溢流坝的消能率影响最大。综上所述,由2个高×宽=3m×2.25m台阶组成的过渡阶梯方案为最佳方案。

关键词：工程水力学过渡阶梯三维数值模拟阶梯溢流坝消能率

挑坎与过渡阶梯大阶梯数的组合体型对一体化消能工的影响研究

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挑坎与过渡阶梯大阶梯数的组合体型对一体化消能工的影响研究

作者：董丽艳昆明理工大学

学位级别：硕士

为解决一体化消能设施在大单宽流量运行时,较高的消能率与空蚀破坏之间存在矛盾这一难题,本文基于阿海电站的基础上,按1:60的模型比尺进行水工模型试验,采用三种角度的掺气挑坎与四种阶梯体型进行组合共十二种组合掺气设施,分析这十二... 详细信息

为解决一体化消能设施在大单宽流量运行时,较高的消能率与空蚀破坏之间存在矛盾这一难题,本文基于阿海电站的基础上,按1:60的模型比尺进行水工模型试验,采用三种角度的掺气挑坎与四种阶梯体型进行组合共十二种组合掺气设施,分析这十二种组合掺气设施对该一体化消能工水力特性的影响,为该一体化消能工应用于更高水头、更大单宽流量的工程中提供一定的理论依据,研究的主要结论如下:（1）当仅增设过渡阶梯体型时,发现首级大阶梯对该一体化消能工掺气影响比较突出;增设掺气挑坎+过渡阶梯的组合设施时,发现11.3°,1m+带有一个大阶梯的过渡阶梯的组合体型为最优的组合掺气设施;（2）时均压强、流速变化规律基本相似,时均压强最大值出现两个峰值,一个是反弧段的冲击压强最大值,一个是消力池段的静水压强最大值;当增设组合掺气设施时,挑坎角度一定时,第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型的动能耗散程度最大,最大值均在90%左右;（3）挑坎+均匀阶梯体型下的最大负压出现在第一级阶梯立面凸角处;而挑坎+新型过渡阶梯的组合体型的最大负压出现的位置下移了,均出现在第二级阶梯立面凸角处;所有试验方案的最大负压值均没有超过规范允许的最大负压值;且十二个试验方案中最大负压最小值出现在11.3°+第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型方案中,最大负压值为-5.46kPa;（4）增设过渡阶梯时,掺气浓度最大值仅达到61.6%,掺气空腔长度最大值达到13.88m;增设组合掺气设施后,第一、二阶为大阶梯或无大阶梯的过渡阶梯体型方案中掺气浓度最大值均达不到50%,第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型方案的掺气浓度最大值超过了60%,空腔长度随挑坎角度的增大而增大,挑坎角度一定时,发现第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型方案的空腔长度值最大,掺气浓度和空腔长度值最大的均出现在11.3°+第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型方案中,最大值分别为88.46%,17.50m。（5）增设过渡阶梯时,消能率最大值达到52.70%,增设组合掺气设施后,消能率最大值达到59.95%。综上所述:在一体化消能工阶梯段与WES曲面衔接处增设组合掺气设施可以减小该衔接处存在的负压、提高该一体化消能工的掺气量和消能效果,其中最优的组合掺气设施体型为11.3°+第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型。

关键词：阶梯溢流坝负压掺气浓度掺气空腔过渡阶梯消能率