前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响.pdf

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1、第4期水利水运工程学报N。．42016年8月HYDRoSQENCEANDENaM唧唧GAug．2016DOI：10．16198／j．cnki．1009—640X．2016．04．017张靓，杨具瑞，陈玉壮．前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响[J]．水利水运工程学报，2016(4)：118—125．(zHANGLiang，YANGJu—rLli，cHENYu—zhuang．Impactsofpre—aeratorangelsonenergydissipationofsteppedspiuway[J]．Hydro—ScienceandEngineering，2016(

2、4)：118—125．)前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响张靓1，杨具瑞1，陈玉壮2(1．昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明650500；2．河海大学水文水资源学院，江苏南京210098)摘要：将掺气坎布置在宽尾墩出口和阶梯溢流坝首级台阶的中间位置，能有效减小高坝泄水建筑物在高速水流作用下发生空蚀和冲刷破坏的概率。利用水气两相流模型并联合RNG％一s模型，模拟计算不同前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气浓度和消能特性的影响，前置掺气坎角度依次取80，10。和11．3。。其中模型采用VOF方法对自由水面进行处理，利用几何重建方式对水气面附近进行插值，采用PIsO算法

3、和非定常流算法进行计算。模拟计算结果表明，在不同前置掺气坎角度下，阶梯面平均掺气浓度沿程变化趋势为总体减小并在后几级台阶处保持不变；在靠近掺气空腔后的台阶处，沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向，掺气浓度的变化趋势为先减后增，而沿阶梯面垂直近壁面凹角到凸角方向，掺气浓度的变化趋势为先增后减，且同一断面的掺气浓度随前置掺气坎角度的增加而逐渐增加；在靠近反弧段的阶梯上，沿阶梯水平近壁面凹角到凸角方向，掺气浓度的变化趋势为逐渐增大，而沿阶梯面垂直近壁面凸角到凹角方向，掺气浓度的变化趋势为逐渐减小，随着前置掺气坎角度的增加，同一断面掺气浓度随着增大，且泄水建筑物消能率随之增大。关键词：

4、前置掺气坎角度；阶梯溢流坝；工程水力学；数值模拟；掺气特性；消能特性中图分类号：Tvl35．2文献标志码：A文章编号：1009—640x(2016)04—0118—08阶梯式溢流坝消能工在距今两千多年前已被应用于水利工程中，它主要利用水流流经阶梯坝面时形成的旋滚、碰撞等作用进行沿程消能，在小单宽流量和低流速工程中使用广泛，其消能效果较好且在溢流面不容易发生空化空蚀破坏。1J。随着材料工艺和筑坝技术的日益提高，高坝建筑物被更多地应用于实际工程中，但泄水建筑物过流阶梯表面在大单宽流量作用下易空蚀破坏，研究显示避免阶梯面发生空蚀破坏的有效方法之一是增加泄流的掺气浓度，A．J．P

5、eterka等。2o通过试验研究得出当过流阶梯近壁面掺气浓度达到5％～8％时，能有效减小阶梯面发生空蚀破坏的概率。为了增加阶梯面的掺气浓度，需要增加掺气坎、宽尾墩等掺气设施对泄流进行强迫掺气。故此在保证泄水建筑物具有较好消能率的前提下，还应确保其掺气设施的掺气效果良好¨1。李中枢等H1将阶梯溢流坝和宽尾墩相结合，利用宽尾墩对泄流进行横向紧缩纵向扩散，进而增加水流与空气接触的面积，并减少了台阶过流流量，从而减轻了阶梯消能的压力。后小霞等∞o结合阿海电站的实际工程，采用RNG一紊流模型，对溢流坝水力特性进行模拟计算，研究表明阶梯溢流坝阶梯面掺气空腔形态与宽尾墩收缩比有关。胡耀

6、华等Mo在X型宽尾墩和阶梯溢流坝首级台阶处设置掺气坎，通过数模与试验相结合的研究方法得出了掺气腔尺度与掺气挑坎高度、阶梯坡度等之问的关系。彭勇等‘7‘8o通过在阶梯溢洪道首级台阶处增设掺气坎来达到掺气目的，其掺气机理为在前置掺气坎作用下泄流被掺气坎挑起并在水舌下方的过渡台阶处形成空腔，泄流通过空腔进行强迫掺气进而达到增加掺气浓度的目的，此文献中测试了溢流坝沿程掺气浓度，并表明当掺气浓度达到5％时阶梯面发生空蚀破坏的概率大大减小。收稿日期：2015—08—29基金项目：国家自然科学基金资助项目(51569010)；水利部公益性行业专项经费项目(201101042)作者简介：

7、张靓(1990一)，女，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事工程水力学研究。E·mail：zhangll99011@163．com通信作者：杨具瑞(E-mail：yan商umi@163．com)第4期张靓，等：前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响¨y一—————————————————————————————————————————————————————————————一由上可知，众多学者对溢流坝消能工掺气的研究方向大致偏向阶梯面强迫掺气空腔形态以及总体掺气分布，而研究单个阶梯水平及竖直近壁面泄流掺气浓度分布情况甚少，阶梯