适应低来流佛氏数的掺气设施制造技术

本发明专利技术涉及一种适应低来流佛氏数的掺气设施及泄水建筑物。适用于水利水电工程领域，主要用于低佛氏数来流条件下，为泄水建筑物提供掺气充分的水流，防止泄水建筑物发生空蚀破坏。本发明专利技术所采用的技术方案是：一种适应低来流佛氏数的掺气设施，设置于泄水建筑物上，其特征在于：该掺气设施具有沿水流方向依次布置的挑坎和跌坎，水流经过挑坎后形成挑流水舌，所述跌坎下游形成有位于挑流水舌下方的底空腔，底空腔经通气孔口与外界大气相连，空气从底空腔掺入水流底部；所述泄水建筑物底板上对应所述挑流水舌的射落区域设有能使水流紊动、以将水流底部掺入的空气混匀至整个过流断面的紊动件。的紊动件。的紊动件。

【技术实现步骤摘要】
适应低来流佛氏数的掺气设施


[0001]本专利技术涉及一种适应低来流佛氏数的掺气设施及泄水建筑物。适用于水利水电工程领域，主要用于低佛氏数来流条件下，为泄水建筑物提供掺气充分的水流，防止泄水建筑物发生空蚀破坏。

技术介绍

[0002]泄水建筑物宣泄水库、河道、渠道、涝区超过调蓄或承受能力的洪水，是保证水利枢纽和水工建筑物的安全、减免洪涝灾害的重要的水工建筑物。泄水建筑物上的高速水流带来的空化空蚀问题是导致泄水建筑物破坏的一个重要问题，实际工程中已发生了多起泄水建筑物空蚀破坏的实例。
[0003]掺气减蚀技术简单、高效，所以目前大型水利水电工程的泄水建筑物一般都设有掺气设施。掺气设施可以向水流内掺入大量的空气，从而达到减免其空化空蚀破坏的目的。
[0004]目前，当掺气设施的来流佛氏数较低时，掺气能力有所不足，下游水流掺气浓度偏低；另外，掺气空腔内易产生回水，空腔回水可能淹没部分或整个通气孔口，导致掺气设施降低掺气能力或完全失效，掺气设施反而成为新的空化源，泄水建筑物面临空蚀破坏。
[0005]为了控制掺气设施低来流佛氏数下的空腔回水，增强掺气能力，前人开发了诸如U型、V型掺气坎和下游局部陡坡等工程措施，在一定条件下，取得了一定的控制空腔回水的效果。但是，低佛氏数来流条件下，掺气设施的掺气能力仍显不足，空腔回水控制仍是掺气减蚀的难题之一。
[0006]图1为低佛氏数来流条件下传统掺气设施下游流动示意图，在低佛氏数来流下，掺气设施掺气能力偏低，底空腔内极易产生空腔回水，回水淹没部分甚至整个底空腔，影响掺气设施掺气功能。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种适应低来流佛氏数的掺气设施。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是：一种适应低来流佛氏数的掺气设施，设置于泄水建筑物上，其特征在于：
[0009]该掺气设施具有沿水流方向依次布置的挑坎和跌坎，水流经过挑坎后形成挑流水舌，所述跌坎下游形成有位于挑流水舌下方的底空腔，底空腔经通气孔口与外界大气相连，空气从底空腔掺入水流底部；
[0010]所述泄水建筑物底板上对应所述挑流水舌的射落区域设有能使水流紊动、以将水流底部掺入的空气混匀至整个过流断面的紊动件。
[0011]所述紊动件具有能阻止空腔回水上溯流动的挡水面。
[0012]所述紊动件为沿水流方向布置的多级阶梯结构，该多级阶梯结构中每级阶梯的阶梯立面为所述挡水面。阶梯的两个面应该垂直，一方面便于施工，另一方面，顶面是水平面
方便后期检修通行。
[0013]所述多级阶梯结构位于泄水建筑物底板面以下。
[0014]所述多级阶梯结构中阶梯的台阶顶点A与泄水建筑物底板面处于同一平面内。
[0015]所述阶梯的高度h取值为0.3m～1.0m。阶梯高度一般为0.3～1m，这个高度范围是参考混凝土重力坝阶梯坝面，在此范围内能够达到较好的效果，并且施工也方便。宽度与泄水建筑物宽度相等。长度根据泄水建筑物的底板纵坡及选定的阶段高度计算得到。
[0016]所述多级阶梯结构的长度L基于阶梯高度h和泄水建筑物底板纵坡计算得到。
[0017]所述紊动件的布置范围以各来流条件下挑流水舌均能射落在该紊动件范围内为准。
[0018]本专利技术的有益效果是：本专利技术在掺气设施下游设置紊动件，布置范围合理，在各来流条件下均能形成挑流水舌冲击紊动件的流态，在此流态下可获得良好的掺气效果。
[0019]本专利技术中紊动件采用多级阶梯结构，加强了水流紊动，使水流底部卷吸进更多的空气进入水流，并促使其迅速掺混至整个过流断面，另外阶梯立面阻止空腔回水的上溯流动，减免空腔回水，保证掺气设施的正常掺气功能。
[0020]本专利技术对于水利水电工程泄水建筑物的空蚀防治和工程的安全运行具有十分重要的意义。本专利技术力求通过掺气设施的下游底坡局部阶梯结构，提高掺气能力，减免空腔回水。本项专利技术结构简单易行，其有效性已得到试验验证。
附图说明
[0021]图1为现有技术中传统掺气设施的结构示意图。
[0022]图2为实施例的结构示意图。
[0023]1、挑坎；2、跌坎；3、通气孔口；4、底空腔；5、空腔回水；6、多级阶梯结构。
具体实施方式
[0024]本实施例为一种泄水建筑物上的适应低来流佛氏数的掺气设施，该掺气设施包括沿水流方向依次设置于泄水建筑物底板上的挑坎、跌坎和紊动件。
[0025]本例中水流经过挑坎后形成挑流水舌，挑流水舌与跌坎下游的泄水建筑物底板之间形成底空腔，底空腔通过通气孔口与外界大气相连，外界大气源源不断地将空气输送至底空腔，水舌通过水舌下缘与底板撞击产生的强烈漩滚将底空腔的空气掺混于高速水流底部。
[0026]本实施例中紊动件为设置于泄水建筑物底板上沿水流方向布置的多级阶梯结构，多级阶梯结构的布置范围以各来流条件下挑流水舌均能射落在该紊动件范围内为准。多级阶梯结构加强了水流紊动，使水流底部卷吸进更多的空气进入水流，并促使其迅速掺混至整个过流断面。
[0027]本例中多级阶梯结构上每级阶梯的立面均为挡水面，可阻止空腔回水的上溯流动，减免空腔回水，保证掺气设施的正常掺气功能。
[0028]本实施例中多级阶梯结构位于泄水建筑物底板面以下位置，且多级阶梯结构中各台阶顶点A均与泄水建筑物底板面处于同一平面内。
[0029]本实施例的结构参数包括挑坎高度tr、跌坎高度ts、底坡坡度i、多级阶梯结构长
度L、局部阶梯起点位置x和阶梯高度h。其中，挑坎高度、跌坎高度、底坡坡度可依传统掺气设施设计，多级阶梯结构应设置在挑流水舌冲击底板处，从而实现低佛氏数来流条件下掺气设施所具有的良好掺气功能，减免空腔回水，保证了泄水建筑物的安全。
[0030]本例中阶梯的高度h取值为0.3m～1.0m；多级阶梯结构的长度L基于阶梯高度h和泄水建筑物底板纵坡计算得到。
[0031]本实施例根据某实际泄水建筑物布置形式及结构尺寸设计1:40比尺物理模型进行掺气减蚀试验，在相同来流条件下，与传统掺气设施进行比较，研究本专利技术提出的适应低来流佛氏数的局部阶梯底坡掺气设施的掺气特性，验证本专利技术的有效性。
[0032]在模型试验中，泄水建筑物宽37.5cm，底坡坡度1:4，试验最大流量0.31m3/s，换算原型单宽流量约为3137.0m2/s。方案1为传统掺气设施，方案2为本实施例掺气设施，方案1、2的挑坎高同为1.0cm，跌坎高同为5.0cm，通气孔口尺寸同为5
×
5cm。方案2在掺气设施下游40.0cm(x＝40cm)处设置多级阶梯结构，多级阶梯结构包括4个阶梯，每个阶梯高9.0cm，水平长度36.0cm，阶梯段总长L为1.48m。
[0033]本实施例中，试验观察了试验流量为0.14和0.31m3/s时的流态，并测量了底板水流近壁掺气浓度。流量0.14和0.31m3/s对应的水流佛氏数为2.86和2.64。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适应低来流佛氏数的掺气设施，设置于泄水建筑物上，其特征在于：该掺气设施具有沿水流方向依次布置的挑坎和跌坎，水流经过挑坎后形成挑流水舌，所述跌坎下游形成有位于挑流水舌下方的底空腔，底空腔经通气孔口与外界大气相连，空气从底空腔掺入水流底部；所述泄水建筑物底板上对应所述挑流水舌的射落区域设有能使水流紊动、以将水流底部掺入的空气混匀至整个过流断面的紊动件。2.根据权利要求1所述的适应低来流佛氏数的掺气设施，其特征在于：所述紊动件具有能阻止空腔回水上溯流动的挡水面。3.根据权利要求2所述的适应低来流佛氏数的掺气设施，其特征在于：所述紊动件为沿水流方向布置的多级阶梯结构，该多级阶梯结构中每级阶梯的阶梯立面为所述挡水面。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建荣，吴建华，彭育，薛阳，马飞，孔亮，何佳，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：