90°明渠交汇口三维水力特性数值模拟

明渠干支流交汇口包含了许多重要的水流现象,在污水处理厂和过鱼建筑物等水利设施中经常遇到。本文采用k-ω紊流模型对90°明渠交汇口三维流场进行了模拟,运用双曲正切扩展函数法构造动态网格来跟踪自由水面,将模拟的结果与实验数据进行了对比,吻合良好,成功捕捉到了交汇口水面变化及二次流等主要水流特性。分析了交汇口分离区形状参数、支渠入流角及断面收缩系数与干支渠流量比之间的关系,并与前人的研究成果进行了比较。     

Y形交汇口水面形态特征的数值分析

明渠交汇水流在交汇口处呈现出特有的水面形态特征.针对Y形明渠交汇口的水面形态特征,应用三维各向异性的雷诺应力模型,采用交错网格上的有限体积法离散控制方程,用SIMPLE算法对压力～速度场求解.数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好,并据此重点探讨了交汇角、汇流比与描述水面形态特征的参数之间的关系,提出上下游水深比与交汇角、汇流比的函数关系.     

明渠交汇口水流及污染物输移数值计算

针对明渠交汇口流动特性应用深度平均H-L紊流模型和污染物传输方程建立了明渠交汇口水流流动及污染物输移模型；采用有限体积法离散格式及交错网格上的水深-速度校正算法进行了数值计算并应用实测资料对数值模型进行了验证。计算结果与实测资料吻合较好，表明所提出的模型能较好的预测交汇口水流分离区及污染混合区形状及大小。     

明渠弯道交汇口水动力特性数值模拟

为研究不同宽深比和径宽比对明渠弯道交汇口水动力特性的影响规律,利用体积函数法(VOF)追踪自由表面,采用RNG k-ε模型封闭控制方程,建立明渠弯道交汇水流三维数值模型对3种宽深比和3种径宽比的5种组合工况进行了模拟,分析了交汇口附近的水面形态、流速分布、断面环流和分离区形态等特征。结果表明：随着宽深比的增大或径宽比的减小,交汇口附近水面跌落程度减弱;与径宽比相比,宽深比对弯道交汇口以及下游区域内流速分布的不均匀性影响较大,宽深比增大,纵向流速变幅增大,流速分布更加不均匀,水流偏转效应增强;宽深比或径宽比减小导致弯道处环流强度增大;宽深比或径宽比增大,弯道处回流结构增强,分离区尺寸增大,水平方向上形态更加狭长。     

明渠交汇口三维水力特性试验研究

支流汇入主流后，在交汇口下游附近形成复杂的流动现象，对于确定渠道有效过流断面、泥沙及含有物质输移及淤积、渠底及边壁冲刷等产生重要影响。本文目的在于采用试验手段探索干支渠交汇口的三维流动结构。在一个矩形断面且等宽、45°交汇的半封闭自循环水槽中，应用五孔毕托球对明渠交汇口三维流动特性进行了试验研究。试验结果表明，对于给定交汇口形状及尺寸，分离区形状基本保持不变，尺寸随主支渠流量比变化并具有较好的相关关系；在和主渠轴线正交的横断面上交汇水流存在横向分速，水面附近横向分速指向交汇口对侧固壁，临底附近横向分速指向交汇口一侧。对于流量比较大的汇流流动，断面环流是交汇口水流三维流动的一个重要特征。     

等宽明渠交汇口流速分布特性数值模拟

明渠水流的交汇现象在涉水工程中十分常见,其中交汇口流速的分布特性复杂,对渠道的设计与维护有着直接的影响。针对明渠交汇流的流速分布特性,基于雷诺方程模型（RSM）与体积函数法（VOF）建立等宽明渠交汇流三维数值模型,结合物理试验数据进行模型验证,对不同交汇角与流量比组合工况进行模拟研究,对交汇口水流流速的分布特性进行分析。计算结果表明,交汇口流速存在分区特征,交汇口内流线弯曲流速偏转,下游会出现回流结构与断面环流现象。当交汇角增大时,水流的偏转幅度更大,回流结构与环流现象增强,分区特征更明显,渠道边壁受到的水体冲击更大;当流量比增大时,主渠水体受到的挤压效应减弱,流速分区特征受到抑制,水流交汇更平顺,边壁受到的冲刷更少。     

等宽明渠交汇口水流一维数学模型

本文采用理论分析及试验手段，对等宽明渠缓流交汇水流进行了研究。对交汇口流动的各种影响因素进行了量纲分析，确定表征流动特性的主要物理量。根据水力学基本理论，建立了交汇口上下游水深比的普遍方程，方程中考虑了动量修正系数、动能修正系数、支流汇入角等影响因素的影响，并对水深比与交汇角、流量比及水流Fr数之间的变化关系进行了讨论。解析表达式的计算结果与实验结果符合较好。     

数字粒子图像处理技术及其在明渠交汇试验研究中流速测量的应用

为了克服传统的点测量方法无法获取明渠交汇口非恒定流场同部信息的缺陷，本文应用DPIV(Digital Particle Image Velocimetry)数字粒子测速技术对明渠交汇口流场进行了实验研究。试验结果表明，对于给定交汇口形状及尺寸，分离区的大小主要随主支渠水流的流量比发生变化，但其形状基本保持不变。说明DPIV测速方法可直观完整地测量非恒定流动，且运算速度快，是研究复杂流场的有效工具。     

Y型明渠交汇水流数值计算

针对Y型明渠交汇口的水流特性,应用水深平均-雷诺应力模型,采用交错网格有限体积法离散控制方程以及SIMPLE算法,求解交汇水流的水深-速度场.数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好,并据此分析了交汇口附近汇流区的雷诺正应力和剪切应力分布.     

明渠交汇水流的螺旋度分析

基于物理模型试验的实测资料,通过引入螺旋度详细分析了"Y"型明渠交汇口的螺旋流分布情况,定量地反映出螺旋流强度沿水流方向的变化规律.在汇流比0.35、0.6、0.8共3种工况下,选取4个典型断面进行螺旋度的对比分析,结果表明:"Y"型明渠交汇水流自交汇口向下游同时存在顺时针和逆时针螺旋流,以顺时针螺旋流占据主导;沿水流方向,螺旋流强度减弱;随着汇流比的不同,螺旋度值和正负值中心呈现出不同的变化规律.     

长江乌江交汇口水力特征数值模拟分析

采用SMS水动力学软件构建二维数值模型,对长江乌江交汇口水域在不同汇流比下的水面形态、流速分布及交汇口处分离区、滞留区等位置进行分析可知,计算河段水面存在横比降,弯道处凹岸水位壅高,凸岸水位跌落,且在上游交 汇角处形成滞留区;交汇口下游水文断面支流侧形成分离区,分离区外侧水流流速明显增大,形成最大流速区.其成果可 ...     

Y型明渠交汇水流分离区的数值分析

针对Y型明渠交汇口的水流特性,应用三维各向异性的雷诺应力模型,采用交错网格上的有限体积法离散控制方程,用SIMPLE算法求解压力-速度场。数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好,并据此重点探讨了不同交汇角条件下交汇口分离区尺寸的变化规律,提出Y型交汇水流分离区的定义和分离区尺寸与汇流比的函数关系。     

明渠自掺气水流运动的数值模拟

从两相流基本方程出发,分析了水利工程中水气两相流的特点,对明渠自由水面的掺气量进行研究,建立了适用于自掺气水流的数学模型,对明渠自掺气水流的掺气浓度和流速进行了数值计算,计算结果与实测值吻合较好,得出掺气浓度随水深的增加逐渐增大,流速自明渠底面向水面方向先增大,然后又逐渐减小.     

明渠曲线渐变段体型求解新方法研究

明渠渐变段体型对渐变段中的水流形态有很大影响。为了解决明渠渐变段与下游水流的扩散衔接问题,消除明渠渐变段下游菱形冲击波的影响,根据冲击波特性和辐射水流基本关系,采用冲击波简化积分式,并考虑到渐变段水流与下游衔接,按刘韩生曲线边墙窄缝挑坎计算方法算出明渠曲线渐变段边墙体型,且该方法能够计算渐变段中的水面线。试验表明明渠曲线渐变段中水流平顺稳定且水面渐变升高。渐变段后水流正常,为均匀流,无菱形冲击波的影响,故能够解决水流扩散衔接的问题,该方法可以运用到明渠曲线渐变段边墙体型设计中。     

二维明渠非恒定水流BGK数值模型

本文根据BGK波尔兹曼方程及明渠水流中波尔兹曼变量与宏观变量之间的基本关系，导出了明渠水流运动方程，验证了BGK波尔兹曼方程与明渠水流运动方程的一致性，并从理论上证明，圣维南方程是BGK明渠水流模型在局部平衡状态下的一个特例。以BGK波尔兹曼方程为基本方程，利用有限体积离散方法，建立了满足熵原理的二维明渠非恒定水流的BGK数值模型。通过对典型的明渠水流现象的模拟，并与其它计算方法获得的解以及实验结果相比较，表明BGK模型勿须人为的熵修正，能准确地模拟存在不连续运动的明渠水流运动，是一种较好的明渠非恒定水流模型。     

有无植物明渠水流能量分布的实验研究

选用圆柱铝棒模拟刚性植物,利用超声波多普勒测速仪(ADV)对流场进行测量,得到紊动特性统计参数分布,通过能量提供、能量耗散和能量转移来分析有、无植物明渠水流的能量分布。实验结果表明,有无植物条件的明渠水流的紊流能量分布既有相同之处,又有不同之处:不管有、无植物的明渠水流,能量提供都是从床面向自由水面逐渐增加,能量耗散都是从床面向自由水面先增加后减小,能量转移都是从负值逐渐变为正值;与无植物条件相比,有植物条件的的能量转移分界线位于植物顶端附近,能量分布主要的不同之处体现在植物层。     

以波尔兹曼方程建立明渠水流模型的理论基础

针对传统模拟明渠水流方法所存在的问题，提出了应用ＢＧＫ模拟方法模拟明渠水流运动的可能性。根据ＢＧＫ波尔兹曼方程及明渠水流中微、宏观变量之间的基本关系，导出了明渠水流运动的控制方程。理论推导证明，圣维南方程是ＢＧＫ模型在局部平衡状态下的一个特例。通过对熵方程分析表明，ＢＧＫ波尔兹曼方程严格满足熵条件，从而阐释了ＢＧＫ模拟方法满足熵条件。利用一个恒定水跃的例子说明了熵条件的重要性，同时也表明，仅仅以质量和动量守衡律为基础的圣维南方程可能会得出不唯一的解，即不满足熵条件的解。在论证ＢＧＫ波尔兹曼方程与明渠水流守衡律的一致性的基础上，提出了建立ＧＢＫ明渠水流模型之基本思路和步骤并分析了该方法与传统模拟方法之区别。从理论上论证了利用ＢＧＫ模拟方法模拟明渠水流的可行性，为建立ＢＧＫ明渠水流模型奠定了理论基础。     

90°等宽明渠交汇水流污染物混合规律数值模拟

为研究明渠交汇水流污染物混合规律,针对90°等宽顺直明渠水流交汇口,建立三维水动力-污染物耦合输运数学模型,对6 种不同汇流比情况进行数值模拟研究。计算结果表明:交汇水流污染物分布存在明显的三维特征,且与二次流密切相关;水体表层污染带最大宽度与汇流比的关系和水体内部不同,表层水体污染带最大宽度在小汇流比工况下为主渠宽度,不随汇流比的变化而改变,在大汇流比工况下与汇流比呈良好的一次函数关系;中下层水体污染带最大宽度与汇流比呈二次曲线关系;汇流比越接近0. 5,污染物混合越不均匀,且汇流比越大,污染物混合速率越快。     

水流交汇区的水动力学特性数值模拟

为开展水流交汇区污染物浓度分布研究,进行水流交汇区水动力学特性的数值模拟,建立适用于水流交汇区的水气两相流数学模型。模型采用Weber试验数据进行验证,验证结果表明模型模拟的自由水面、流场与试验结果吻合较好。针对交汇区浓度分布试验的研究需要,模拟分析了不同交汇角、流量比和动量比对交汇区水动力学特性的影响。研究结果表明:分离区的范围随交汇角、流量比和动量比的减小而逐渐缩小直至分离区消失,交汇角、流量比和动量比越小,交汇口上游水位的壅高及分离区内水位的下降程度越不明显。     

以波尔兹曼理论建立明渠水流数值模型方法

根据文献[1]所论述的以波尔兹曼方程建立明渠水流模型的理论及明渠水流中微、微观变量之间的基本关系，采用有限体积离散方法，探讨了BGK明渠水流数值模型的方法，初步建立了不同于传统方法的、满足熵原理的BGK明渠水流数模型，通过对一系列典型的明渠水流现象的模拟，并对理论解，其它计算方法获得的解决以及公开发表的实验结果相比较，表明所提出的模型计算精度高，、稳定性好，勿须人为的熵修正（如人为增加耗散项）、能准确模拟明渠中不连续水流运动（如溃坝波等），不会出现非物理性的震荡，是一种颇具开发前景的明渠水流模型。