长短叶片水轮机转轮内固液两相流数值模拟

运用RNGκ-ε湍流模型和两相流混合模型,分别对常规叶片和长短叶片的混流式水轮机全流道在不同开度下的含沙水流运动进行数值模拟,并对常规叶片转轮磨损情况与实验结果进行比较分析。对固体颗粒在2种转轮内的流动状况及叶片表面泥沙磨损程度进行分析时发现:2种转轮叶片表面泥沙颗粒速度曲线趋势相同,都是在叶片进口处存在速度最大值;在最优工况下,常规叶片表面的泥沙浓度要高于长短叶片,在叶片进口压力面和出口处出现了严重的泥沙磨损;长短叶片表面的泥沙浓度分布更为均匀。此外,在计算过程中还发现,叶片进口压力面的磨损程度随开度的减小而稍有加剧,最严重区域发生在距叶片进口1/5位置处。     

颗粒特性对离心泵叶轮叶片的磨损分析

为了预测离心泵叶轮叶片的磨损位置和计算磨损量的大小,利用有限元软件Ansys-FLUENT和离散元软件EDEM基于计算流体动力学(CFD)和离散单元法(DEM)耦合的方法,探究了颗粒体积分数(2%、3%和4%)、粒径(1 mm、2 mm和3 mm)、形状(球形、类球形和三角形)对离心泵叶轮叶片的磨损影响。结果表明离心泵内部压强最大处为隔舌部位,出口管道的滞留区域与大涡量区域分布一致,管道涡具有滞留作用;随着颗粒体积分数的增加,颗粒最大速度增加,最小速度减小,叶轮叶片磨损量增大,磨损分布不变;当粒径增大时,颗粒最大速度与最小速度同时增大,磨损增加,磨损最严重的位置由尾部变为头部,颗粒尖锐程度的增加也使得磨损加剧。     

泥沙颗粒在冲击式水轮机斗叶内壁面的冲蚀磨损研究

为研究冲击式水轮机斗叶内泥沙颗粒的运动特性,分析其对斗叶内壁面的冲蚀磨损影响,建立了斗叶的三维数学模型。利用FLUENT软件,对连续相使用欧拉方程进行计算,达到收敛后再选用拉格朗日方程对离散相-泥沙颗粒进行固液耦合计算。数值分析得出:在相同泥沙颗粒直径和浓度条件下,冲击速度越大,斗叶内壁面的冲蚀磨损也越大;在相同冲击速度和浓度条件下,颗粒直径越大,冲蚀磨损越大;相同泥沙颗粒冲击速度和直径条件下,浓度越大,冲蚀磨损也越大。研究表明,斗叶内壁面的冲蚀磨损主要由泥沙颗粒直径、冲击流速和浓度共同决定。     

黏土矿物对泥石流体屈服应力影响的实验研究

一般情况下,泥石流体屈服应力随着泥沙颗粒体积浓度的增大而增大,同时随着黏粒黏性的增强而增强。在此研究基础上,以泥石流体屈服应力为研究目标,选取了蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭土等4种常见的黏土矿物为研究对象,通过改变泥石流体中泥沙颗粒体积浓度、黏土矿物成分及黏粒重量百分含量得出:1一般情况下,黏土成份对泥石流体屈服应力影响的强弱关系依次为蒙脱石伊利石绿泥石高岭土。2泥沙颗粒体积浓度和黏粒百分含量对泥石流体屈服应力的影响呈指数关系。3综合分析泥沙颗粒体积浓度、黏土矿物成份、黏粒百分含量与屈服应力的关系后获得了黏土矿物下屈服应力的关系式。4用野外调查资料验证了上述泥石流屈服应力与泥沙颗粒体积浓度、黏土矿物的关系,具有一定的准确性。     

混流式水轮机改造前后转轮内固液两相流数值分析

为了探究混流式水轮机改造前后转轮泥沙磨损情况,采用固液两相流模型对某电站改造前后的混流式水轮机进行全流道数值模拟,分析不同工况下转轮叶片表面泥沙分布,转轮叶片表面固液两相速度差,以及水轮机效率。结果表明:小流量工况下泥沙磨损最严重;水轮机改造后,叶片表面泥沙体积分数下降,固液两相速度差减少,泥沙磨损减弱,水轮机效率较改造前提升了5.5%。该研究可为水轮机改造提供一定的参考。     

深圳湾淤积泥沙自重沉积固结试验

以深圳河及深圳湾水底淤积泥沙为研究对象,通过室内沉降柱模拟淤积泥沙自重沉降固结过程,研究了河、海相淤积泥沙的沉降固结特性。结果表明:①泥沙沉降过程可分为自由沉降、阻滞沉降、自重固结沉降3个阶段,其中自由沉降历时3~6 h、阻滞沉降历时30 d左右、固结沉降历时10~400 d,沉降历时主要与泥沙初始浓度、黏粒含量相关;②泥沙初始浓度、黏粒含量均影响着泥沙的体积分数,初始浓度越大,体积分数越大,黏粒含量主要与黏粒絮凝效应的相对大小相关;③初始泥沙浓度为60~70 g/L时,能够得到较为优化的泥沙沉降结果,可以有效地减小疏浚清淤的工程量。     

水轮机转轮固液两相三维紊流计算及磨损预估

本文在两流体模型的基础上，使用贴体坐标的有限体积法，利用有科氏力修正的κ-ε-Ap两相流紊流模型建立了水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流计算模型。模型中求解了考虑压力对固粒相影响的时均Reynolds动量方程，并利用泥沙相的速度和浓度分布，数值计算了转轮的泥沙磨损。为了验证模型的可行性，用该模型计算了刘家峡HL001-25模型水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流流动，数值预估了转轮的泥沙磨损并与磨损试验结果进行了比较。     

排入湖泊的含沙水流三维运动特性研究

本文采用拉格朗日法，考虑泥沙颗粒水体的托曳力，浮力、压差力和附加质量力的合力作用，并用随机方法计入流体紊动的影响，建立颗粒随机运动轨迹方程。采用三维k-ε模型模拟流场。本文以一抽水蓄能电站为例，预测了在抽水情况下排入上池湖泊中的五个粒径组的泥沙在不同时刻的运动轨迹、速度及在三维空间上的体积浓度分布，预测了各种粒 径沙粒可能沉降的位置。     

三峡水轮机转轮固液两相三维紊流计算及磨损预估

本在两流体模型的基础上，使用贴体坐标的有限体积法，利用有哥氏力修正的κ-ε-Ar，两相流紊流模型建立了水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流计算模型。模型中求解了考虑压力对固粒相影响的时均Reyno1ds动量方程，并利用泥沙相的速度和浓度分布，数值计算转轮的泥沙磨损。用该模型计算了三峡水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流流动，数值预估了三个不同工况转轮的泥沙磨损情况．计算表明汛期三峡水轮机转轮将有一定的磨损，磨损的主要部位是叶片正面靠近出口和下环面的三角区。靠近山水边的磨损速率约为1．3mm/年。     

高水头多泥沙电站水轮机导叶的泥沙磨损研究

高水头多泥沙电站水轮机活动导叶是泥沙磨损最为严重的部件。采用k-ε固液两相湍流模型和Sample算法,对水轮机全流道的流动进行数值模拟,并采集电站前池沙样,对水轮机导叶进行了泥沙磨损试验。计算结果表明,活动导叶上泥沙浓度最大位置在5%～10%弦长处,最大泥沙速度出现在20%弦长附近。试验结果表明,泥沙磨损较严重处为活动导叶头部,磨损最严重处在20%弦长附近,泥沙速度对活动导叶磨损影响很大。     

黄河内蒙段泥沙组成与力学运动特征

泥沙在水与河床演变中起到纽带作用,因粒径不同,其运动形态、运动规律以及对河床的作用等不尽相同。因此,研究河床演变就不能轻视泥沙的运动特性,尤其是黄河内蒙河段这种水沙异源的河道。根据实测和实际钻探采样资料,分析了该河段悬移质和河床质的泥沙组成。并以此为基础,从起动扬动、悬浮高度、挟沙能力等角度探讨了主要粒径泥沙在一定水流条件下的运动形态与规律。通过能量和功率方程求得黄河内蒙河段的推移质输沙率。结果表明,内蒙河段悬移质基本上由粒径小于0.080 mm的泥沙组成,而河床质主要粒径为0.100~0.500 mm,其中粒径为0.100~0.250 mm的泥沙活跃于冲淤过程。推移质输沙率的分析表明,来自黄河内蒙古河段上部的粗颗粒泥沙不易被水流长距离挟带,大部分淤积在三湖河口上游。     

Erosion properties of cohesive sediments in the Colorado River in Grand Canyon

Cohesive sediment deposits characterized by a high fraction of mud (silt plus clay) significantly affect the morphology and ecosystem of rivers. Potentially cohesive sediment samples were collected from deposits in the Colorado River in Marble and Grand Canyons. The erosion velocities of these samples were measured in a laboratory flume under varying boundary shear stresses. The non‐dimensional boundary shear stress at which erosion commenced showed a systematic deviation from that of non‐cohesive sediments at mud fractions greater than 0.2. An empirical relation for the boundary shear stress threshold of erosion as a function of mud fraction was proposed. The mass erosion rate was modelled using the Ariathurai–Partheniades equation. The erosion rate parameter of this equation was found to be a strong function of mud fraction. Under similar boundary shear stress and sediment supply conditions in the Colorado River, cohesive lateral eddy deposits formed of mud fractions in excess of 0.2 will erode less rapidly than non‐cohesive deposits. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

絮凝对三峡水库泥沙沉降的影响

现场与室内实测的泥沙级配差异证实了三峡水库中存在泥沙絮凝现象,絮凝会加速水库泥沙淤积速率。为了确定絮凝对泥沙沉降速率的影响,现场采集了三峡水库原样泥沙,基于三峡水库水体环境,采用室内静水沉降试验对三峡水库中泥沙絮凝沉降规律进行了研究。研究结果表明,当试验采用的初始含沙量大于0.3 kg/m3时,部分单颗粒泥沙会聚集形成絮团,且泥沙絮凝程度以及沉速增加的幅度与水体中含沙量呈正比。参与絮团形成的单颗粒泥沙粒径均位于0.022 mm以下,小于临界粒径的泥沙占全沙的83%;采用絮凝因数和物质沉降通量因数分别表征絮凝对泥沙沉降的影响程度,这两种因数都随含沙量增加而增加,含沙量在1.5 kg/m3以下时其最大值分别为5.03和1.66,表明絮凝对三峡库区汛期的泥沙淤积有可能造成较大影响。     

云南某水电站水库泥沙淤积数值模拟研究

水库泥沙淤积引起库区水位抬高,侵占调节库容,造成库容损失,且有害粒径对水轮机造成磨损,从而引起水轮机运行效率下降、出力和年发电量减小、检修间隔缩短和费用增大。以云南某水电站水库为例,利用非恒定一维模型对库区泥沙淤积形态、泥沙冲淤、过机含沙量等变化进行数值模拟。结果表明:水库泥沙淤积形态为三角洲淤积,泥沙淤积对调节库容的影响较大;通过水轮机水流的含沙量较小、粒径较细,泥沙对水轮机的影响较小;泥沙淤积数值模拟与实测资料相符,因此采用非恒定一维模型进行泥沙淤积数值模拟是可行的,可有效地解决云南地区泥沙淤积数值模拟的难题。     

粉沙质海岸泥沙特性实验研究

本研究根据泥沙性质，提出了滩面泥沙中值粒径介于０．０３ｍｍ￣０．１２ｍｍ的海岩为粉沙质海岸，并对其泥沙特性进行了实验研究。结果表明，粉沙质海岸泥沙特性除了与中值料径有关外，还与级配有关。当泥沙中粘性细颗粒物质含量较高时，其整体体现淤泥质泥沙特性，当泥沙中粘性细颗粒物质含量较低时，整体体现散粒体泥沙特性，其运移形态前者是以悬移质运动为主，后者地既有悬移质运动又有推移质运动。对于推移质输沙，其输沙率不     

Numerical simulation of the abrasive supercritical carbon dioxide jet: The flow field and the influencing factors

The supercritical carbon dioxide(SC-CO_2) jet can break rocks at higher penetration rates and lower threshold pressures than the water jet. The abrasive SC-CO_2 jet, formed by adding solid particles into the SC-CO_2 jet, is expected to achieve higher operation efficiency in eroding hard rocks and cutting metals. With the computational fluid dynamics numerical simulation method, the characteristics of the flow field of the abrasive SC-CO_2 jet are analyzed, as well as the main influencing factors. Results show that the two-phase axial velocities of the abrasive SC-CO_2 jet is much higher than those of the abrasive water jet, when the pressure difference across the jet nozzle is held constant at 20 MPa, the optimal standoff distance for the largest particle impact velocity is approximately 5 times of the jet nozzle diameter; the fluid temperature and the volume concentration of the abrasive particles have modest influences on the two-phase velocities, the ambient pressure has a negligible influence when the pressure difference is held constant. Therefore the abrasive SC-CO_2 jet is expected to assure more effective erosion and cutting performance. This work can provide guidance for subsequent lab experiments and promote practical applications.     

黄金峡泵站水泵母材泥沙磨损试验研究

水泵的泥沙磨损问题是泵站运行管理过程中需要重点考虑的问题之一,在含沙水流冲刷作用下,水泵过流部件易产生明显磨损,从而缩短水泵的使用寿命,降低泵站的运行效率。以引汉济渭工程黄金峡水利枢纽为例,通过在水力机械磨蚀测试系统——旋转圆盘循环工位上进行泥沙磨损试验,探究磨损部件不同备选材料的泥沙磨损特性,结果表明:材料磨损深度随测点半径的增大而增大,泥沙中值粒径的大小对磨损的影响显著,磨损深度随泥沙中值粒径增大而增大。同时根据试验结果,构建了材料磨损率关系式,估算了备选材料的磨损量,比选出了合适的水泵母材。最终,基于研究成果提出了减小水泵泥沙磨损的措施建议,对减缓水泵磨损,降低泵站后期运行和维护费用具有重要意义。     

多组分流元模型在稀性泥石流堆积分选特征研究中的应用

基于结构两相流模型和PIC数值计算方法，本文探讨了稀性泥石流堆积过程中的泥沙分选特征。文中的模型可以模拟阵性泥沙流的非稳定特性，通过将传统的Euler和Lagrangian方法结合泥沙流运动的整个过程都能够采用多组分流元模型进行很好的描述。该模型也能够合理描述泥沙分选过程中伴随的冲淤过程。文中采用2～5°的坡度，固相颗粒被分为三组粒径不同的组分。研究表明，泥石流的垂向和横向分选都不明显，但是纵向分严为明显。河槽坡度和泥石流的密度是影响泥石流分选过程的两个关键因素。泥沙输移能力越大，颗粒分选越不明显，对泥石流分选特性的定量预测有助于深入了解泥石流的沉积机理和泥石流灾害的防治。     

NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降动力学模式的影响

细颗粒泥沙的絮凝沉降对泥沙输移、土壤渗透性以及污染物迁移有重要作用。在泥沙初始浓度为5g/L、10g/L、20g/L时，作者用吸管法研究了不同浓度NaCl对细颗粒泥沙静水絮凝沉降的影响，认为细颗粒泥沙相对浓度随时间的变化符合双曲线型动力学模式，泥沙絮凝沉降越快，研究发现泥沙中值沉速（中值粒径）随泥沙初始浓度和NaCl浓度的增大而增大，但泥沙初始浓度和NaCl浓度较高时渐趋缓慢；细颗粒泥沙絮凝度与分散粒径呈幂函数关系，细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0．0245mm。     

粗糙度对坡面侵蚀及泥沙分选性影响试验研究

为进一步揭示土壤侵蚀的内在规律,以某一试验小区为例,通过模拟不同地表粗糙度,分析了不同雨强条件下的坡面侵蚀产沙及泥沙颗粒粒径变化特征。结果表明:相同雨强和降雨历时下,粗糙度对坡面径流率、水流功率、径流含沙量和产沙率有显著影响;侵蚀泥沙的搬运形式与雨强和粗糙度均有关,而不同泥沙颗粒搬运方式是引起不同粗糙度坡面侵蚀产沙分异的重要原因。因此,坡面侵蚀产沙模型中应综合考虑地表粗糙度和泥沙粒径信息。研究成果可为水土保持规划设计和水土保持措施优化配置提供一定依据。