简要信息

【获奖类型】应用特等奖

【任务来源】国家自然科学基金、雅砻江水电开发联合研究基金重点项目

【课题编号】

【课题起止时间】2006年1月～2009年12月

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】刘之平、张  东、吴一红、张宏伟、王晓松、章晋雄、张文远

立项背景

雅砻江沿江规划开发21级电站，其高坝大库在泄洪消能方面的共同特点是水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件比较复杂，为满足泄洪要求一般设置一条或多条大型泄洪洞，弥补坝身泄洪规模的不足，提高运行的灵活性。如锦屏一级拱坝的最大坝高305m，居世界首位，为满足泄洪要求在右岸设置一条有压接无压泄洪洞，泄洪洞上下游水位差220m，洞内最大流速达50m/s以上，单洞最大泄量达3024 m³/s。

300m级高坝的高水头、大流量泄洪洞的空化空蚀问题是目前水电开发遇到的关键问题之一，尚未很好解决。掺气减蚀设施的应用增强了泄洪洞的抗空蚀性能，降低了对不平整度的要求，取得了可观的经济效益，但以往的研究主要集中在底部水流的掺气减蚀，对两侧边壁的掺气保护缺乏足够的重视。随着泄洪洞的规模越来越大，单宽流量增加，水深增大，边壁的空蚀问题逐渐显露。近年来，有些工程（龙羊峡、二滩等）掺气设施的下游发生了不同程度的空蚀破坏，特别是二滩水电站1#泄洪洞反弧末端掺气设施下游两侧发生空蚀破坏，严重影响了工程安全运行。因此，对掺气设施两侧的掺气机理和增加边壁掺气保护效果的研究是工程界急需解决的课题。

泄洪洞内高速水流掺气是一个非常复杂的物理现象。水流大量掺气影响水体的物理特性和水流的流动特性，改变了水流与水工结构物的相互作用，最直接的问题就是如何确定合理的洞顶余幅。二滩水电站1#泄洪洞在高水位运行时有水面腾跃水股打击洞顶的现象，并引起喷护段局部顶拱岩石脱落。余幅中的气水混合流降低掺气设施的通气效果，研究高速水流的掺气机理以及气水混合流动的规律不仅可以丰富水气两相流理论，同时对解决工程的实际问题也具有指导作用。

详细科学技术内容

（1）研究高流速区曲线连接段及其前后邻近范围的时均压力和脉动压力特性、流速场分布，边界层及紊动特性，分析边界形状对各个水力参数的影响，优化锦屏一级泄洪洞体型；

（2）研究反弧连接段的水流空化特性与各水力要素的相关关系及不同掺气设施体型对水流空化特性的影响，探讨掺气水流和非掺气水流的空化特性，分析高水头、大流量泄洪洞水流空化机理和边壁空蚀破坏的原因；

（3）研究和探索底部水流与侧面水流在掺气机理方面的差异，分析气泡在水流中运动规律和掺气浓度沿程衰减规律及水流掺气缩尺效应，研究适合于反弧末端掺气设施的新体型及增强对侧墙掺气减蚀保护效果的措施；

（4）以商业软件FLUENT为平台开展掺气水流数值模拟研究，改进了高速掺气水流相间阻力模型；基于瞬态双流体模型，采用小扰动方法开展了高速掺气水流声速的研究。

发明及创新点

（1）研究了相间阻力中紊动扩散对水流掺气浓度的影响，改进了高速掺气水流的数值模型，改善了以往数值计算对水流掺气估算不足的状况，掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好；

（2）分析了侧面水流的掺气机理和反弧段高速水流的水力特性，研究了侧掺气设施体型及适于反弧末端的三维掺气设施新体型，提出的楔形掺气坎与掺气槽相结合的侧掺气设施体型及侧坎加底部梯形挑坎的三维掺气设施体型，在锦屏一级、溪洛渡水电站工程中得到应用；

（3）基于两相流双流体模型，考虑相间阻力和虚拟质量力作用，采用小扰动方法导出了掺气水流压力波色散方程，研究了声速随水流掺气浓度的变化规律；

（4）结合锦屏泄洪洞泄洪功率大、河道狭窄的特点，提出了燕尾式非对称新型挑坎体型，该体型能有效改变主水舌方向，并在纵向拉伸扩散，解决了常规斜挑坎体型对左岸有明显冲击的问题。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

在掺气数值模拟研究方面，本项目采用比较完善的双流体模型来描述水气两相的运动规律，同时基于湍流扩散理论对相间阻力模型进行了改进，掺气浓度分布的计算结果与试验数据符合良好，解决了以往模型计算掺气浓度明显偏低的问题，研究水平国内领先。

在侧壁水流的掺气减蚀研究方面，国内外开展较少，本项目重点结合反弧段水流特性对侧壁水流掺气进行了系统研究，提出的楔形掺气坎与掺气槽相结合的侧掺气设施体型，在锦屏一级、溪洛渡水电站工程中得到应用，研究水平国内先进。

水气两相流的声速研究，国内外均有一定研究，但其研究背景多不相同。本项目针对高速掺气水流特点，对两相流双流体模型相间质量、动量及能量交换进行合理模化，同时考虑水和气的状态方程，采用小扰动方法导出了掺气水流压力波色散方程，研究了掺气水流声速的传播衰减规律，研究水平在水工领域领先。

成果应用情况及社会经济效益

针对锦屏一级泄洪洞高水头、大流量、超高流速（大于50m³/s ）的水力学问题，研究提出的四道掺气设施布置方案、渥奇段及反弧段体型优化及反弧段三维掺气设施体型等成果解决了锦屏一级泄洪洞设计中的关键技术问题，具有巨大的经济效益，已在设计中采用。

针对溪洛渡3#泄洪洞第一、二、三道掺气设施部位水流及边界条件提出的三维设施推荐体型在保持流态良好的条件下，能有效的消除掺气坎后两侧边墙的清水带，增大边墙附近水流的掺气浓度，有利于防止边墙发生空化破坏，并可适当减低边墙过流面不平整度的要求。该成果对保证泄洪洞的安全运行有重要意义，具有较大的经济和社会效益，已在溪洛渡泄洪洞设计中采用。

折流掺气坎后水流流态

折流掺气坎附近水流流场