复杂环境下高坝枢纽泄流雾化机理与遥测-预测-危害防治技术研究

Flood discharge atomization of high dam projects is a complicated air-water or water-air two-phase flow. No relevant research has been done on the flood discharge atomization mechanism and the numerical model considering the effects of low air pressure and complex terrain so far. Based on the atomization prototype observation of Ertan Hydropower Station and Jinping-I Hydroelectric Project, this proposal studies the related issues of flood discharge atomization in high dam projects, using comprehensively multiple methods, such as in-situ prototype measurement, laboratory test, mechanism analysis and numerical model, etc. This proposal focuses on the active-passive multi-band spectra remote measurement technology for vapor concentration in discharge atomization area, and the laser light scattering atomization concentration granulometry and calibration technique. It then studies the discharge atomization mechanism under low air pressure, and the process of droplets scattering, splashing and flying away; establishes a numerical model of discharge atomization under the constraints of low air pressure and complex terrain; applies the coupling of prototype measurement, laboratory test and numerical model prediction to finding out the varying pattern of discharge atomization and damage prevention in complex environments. This proposal aims to provide a theoretical and technical support for the simulation, prediction, and damage control of the discharge atomization in high dam projects under complex environment.

高坝枢纽泄流雾化是复杂的水-气或气-水二相流，特别是考虑低气压和复杂地形影响的泄流雾化机理和数值模型研究目前仍处于空白。本项目结合二滩、锦屏一级水电站的雾化原型观测，综合利用现场原型观测、室内试验、机理分析、数值模型等手段，研究高坝枢纽泄流雾化的相关问题。重点研究泄流雾化区域水汽浓度主-被动多波段光谱组合遥测技术、激光散射雾化浓度粒度测量及标定技术；研究低气压环境下泄流雾化机理及雾滴散裂、飞溅、飘逸过程，研究低气压和复杂地形等约束条件下泄流雾化数值模型；基于原型实测-模型试验-数模预测耦合，研究泄流雾化变化规律和复杂环境下泄流雾化危害防治措施等，为复杂环境下高坝枢纽泄流雾化影响的模拟预测和危害防控提供理论和技术支撑。

本项目重点研究了低气压和复杂地形等条件下的高坝枢纽泄流雾化相关基础问题，以推进高坝泄流雾化研究从经验走向科学，能够为重大水利水电工程设计和长期安全运行提供理论和技术支撑。综合室内试验、机理分析、数值模拟、原型观测与反馈等方法，研究主要成果如下：.1、开展了泄流雾化受低气压影响的机理研究：建立了世界首台低气压高速泄流雾化试验装置，揭示了低气压下泄流喷溅雾化雨增强的宏观规律，研析了低气压下泄流喷溅雾化雨增强的微观机制。.2、开展了低气压下高海拔工程的泄流雾化模拟研究：以低气压型随机溅水试验结果为基础，构建了预测高海拔工程泄流雾化影响范围的低气压型随机喷溅雾化数值模型，应用于高海拔高土石坝去学和高海拔特高土石坝如美水电站。.3、开展了泄流雾化场源的多参数指标相关分析研究：依托受雾化影响的纳子峡水电站设计专题物理模型试验，阐明了挑坎体型和角度对下游水舌风和溅水雨强分布的影响机制，并应用于该工程的雾化问题改善。.4、开展了耦合SPH的泄流雾化物-数模复合预测研究：采用耦合Euler-Euler双流体模型和自主开发的无网格SPH模型对原型挑流掺气水舌的射流轨迹进行计算，获得了更为准确的雾化线源特征参数；结合改进的随机喷溅数值理论和GPU并行加速优化模型，应用于实例工程反馈验证。.5、泄流雾化的浓、粒度分布式测量技术研发：针对高坝泄流雾化水汽浓度大、变化梯度大和背景复杂的特点，通过挖掘激光散射定点测量和多波段光谱遥测的组合优势，探索研发了泄流雾化的粒度分布测量仪和浓度测量系统，并开展了相关的应用研究。.6、复杂环境下泄流雾化危害的多尺度防控研究：开发了岩石的破裂机理及合理的本构模型，发展了泄流雾化区边坡稳定性预测方法，研究了泄流雾化分区的预测调控方法，结合原观提出了低雾化影响运行调度方式，相关成果应用在多个水电站的雾化防控中。.研究成果中，发表论文28篇（SCI/EI14篇）；授权专利11项（发明4项）、软著1项；出版专著1本、行业规范2部；申获天津市科技进步一等奖1项，培养毕业研究生13名。