弧形闸门开启过程非恒定流流量系数研究

为探究非恒定流流量系数特点,采用RNG k-ε紊流模型结合动网格技术对某工程Y形宽尾墩表孔弧形闸门开启过程进行了三维动态数值模拟研究,根据过闸流量滞后的特点,将闸后水流分为滞后式、过渡式和平稳式3种流态。分析了闸门开启过程中水流流态及非恒定流流量系数与闸门开启速度和溢流堰顶水头的关系,指出非恒定流流量系数随闸门开启速度的加快及堰顶水头的降低而减小,并给出不同开启速度和堰顶水头情况下适于过渡式及平稳式水流的流量系数经验公式。部分结果与试验结果进行对比,吻合良好,验证了数值方法的可靠性。     

平面钢闸门自由出流流固耦合数值模拟

针对某露顶式平面钢闸门自由出流下水动力特性及闸门动态响应进行研究,基于ANSYS Workbench平台的Fluent流体分析模块及Static Structural固体结构分析模块,结合动网格技术采用VOF法捕捉闸门开启过程时自由表面流,获得了闸门开启过程中瞬时流速、动水压力、湍动能的发生发展过程。同时,考虑动水压力变化,进行水流-闸门的单向流固耦合数值模拟,闸门应力、应变时程变化规律表明:闸门起吊时各构件最大等效应力大于起吊前的;开启过程中,各项最大应力随时间非线性减小;最大应力值及最大变形主要集中在底部主横梁靠近中间纵梁区域。     

快速闸门断流的轴流泵起动过程三维数值模拟

针对轴流泵机组起动过程的研究是泵站安全稳定运行研究的重要环节。为了准确捕捉轴流泵机组在起动过渡过程中的动态特性,建立轴流泵机组的全流道三维模型,采用三维CFD计算软件Fluent,利用基于有限体积法的动网格技术,配合VOF多相流模型对快速闸门断流的轴流泵机组起动过程进行了三维瞬态数值模拟,获得了轴流泵机组起动过渡过程中的流态变化及外特性参数的变化规律。闸门开启时间为60s时,机组起动扬程在12s时达到最大值2.76m,为运行扬程的1.28倍。减小快速闸门开启时间能够降低机组最大起动扬程,但同时会加剧回流及闸门处的水流撞击。计算结果表明:动网格技术结合VOF多相流模型可以较好的应用于快速闸门断流的轴流泵机组起动过渡过程数值模拟中,其结果可为泵站水力设计及轴流泵机组的过渡过程研究提供参考。     

不同开度时弧形闸门流固耦合数值模拟

为研究弧形闸门局部开启时受力情况,采用单向流固耦合的方法,结合Realizable k-ε湍流模型和VOF方法,利用ANSYS、Fluent软件建立了水流流场和闸门三维模型,对不同开度下闸门受力情况进行数值模拟,获得了过闸流量和闸门变形、应力变化的规律,通过与理论计算过闸流量对比,验证了数值模拟结果的准确性。结果表明:随着闸门开度的增大,闸门动水压力逐渐减小,最大应力区域发生了变化,应依据不同的工作环境进行闸门设计和加固。     

平面弧形双开闸门闸下水流流动特性研究

通过平面弧形双开闸门物理模型试验,对闸门对称开启、不对称开启和浮起运行三种情况的闸下水流流态进行了观测,测量闸门上下游水位、过闸流量、闸门开度等水力参数,分析闸下水流流态,总结出平面弧形双开闸门运行时闸下水流流动的特性。闸门对称开启时,闸下没有影响闸门运行的不良流态,主流居中,两侧回流区对称;闸门不对称开启时,闸门的开度小比开度大时对流态的影响大;闸门浮起运行时,闸下海漫段主流偏于两侧,河道中心部位形成两个强弱周期转换的回流区。     

基于BIM+数值模拟的弧形闸门结构性能分析研究

【目的】溢洪道泄洪是一个复杂的水气交换物理过程,在溢洪道泄洪中弧形闸门发挥着十分重要的作用,泄洪过程中弧形闸门受到水体流激振动导致受力不均匀,造成弧形闸门应力应变计算困难。针对不同开度下水流对表孔弧形闸门结构受力情况,【方法】以某水电站溢洪道弧形闸门为例,采用BIM技术建立弧形闸门和流场计算域模型,通过BIM技术与有限元数值模拟间数据交互建立三维有限元模型,采用Fluent、Static Structural进行网格划分并对不同开度下溢洪道过闸流量和弧形闸门受力情况进行数值模拟,分析溢洪道过闸流量和弧形闸门应力、应变变化规律。【结果】结果显示：过闸流量在误差允许范围之内,闸门应力、应变随开度的不断增加逐渐减小,在闸门开启瞬间产生最大等效应力值为142.2 MPa,最大变形值为3.45 mm;采用BIM技术对弧形闸门进行性能分析,提高数值分析效率,并将数值分析得到的水力信息进行处理赋予BIM结构模型中。【结论】研究表明：BIM技术结合数值模拟技术可以进行水工钢结构性能分析,实现BIM平台与CAE有限元平台数据双向交互,拓宽了BIM技术在水工钢结构性能分析中应用研究。     

梅山水库溢洪道水流流态及闸门控制运用研究

为解决溢洪道水流对下游河道冲刷较为严重的问题,通过水工模型试验模拟溢洪道水流流态,分析了水流流态、掺气水深和压力分布情况,对起始工况闸门开启方式、闸门开启顺序进行了运行管理优化。研究结果显示：闸门开启顺序：4#→2#、6#→3#、5#→1#、7#时水舌均匀且远离溢洪道,有效降低了对下游河道的冲刷。控制闸门开启顺序和开度,可有效消除或减缓闸下水流不对称扩散影响,从而消除或减缓回流产生,可达到闸下流态良好,流速较为均匀的良好运行状态 ,研究成果可为类似工程提供技术支撑。     

闸门瞬间泄洪流态数值模拟

采用FLUENT软件对闸门瞬间泄洪流态进行数值模拟,对某闸室底流消能消力池的水流流态进行数值分析。针对模拟结果,优化消力池结构布置型式,为工程的可靠性提供参考意见。     

泄洪洞工作闸门开启时水击数值模拟研究

泄洪洞工作闸门运行过程中有可能产生水击,目前没有受到重视。应用特征线法数值模拟青海省某水电站泄洪洞工作闸门开启时闸前水击的变化过程,结果表明:(1)工作闸门匀速开启的方式可导致泄洪洞内产生水击,水击产生于闸门开启的初始阶段,水击压强振幅呈对数规律衰减;(2)工作闸门非匀速开启方式对泄洪洞非恒定流有重要影响,闸门开启速度先慢后快的运行方式可有效减小水击压强振幅,降低闸门振动的可能性,工作闸门以适当的加速度开启时可消除水击现象,彻底避免水击引起的闸门振动,排除这种泄洪安全隐患。     

庙宫水库新增排沙洞水流特性及调度运用

庙宫水库新增排沙洞运用水位变幅达32.6m,随着库水位的变化,洞内将出现全洞明流、进口有压流洞身明流、明满流交替、有压流等水流流态,运行情况复杂.应通过对进出口闸门的调控,避免洞内出现危及建筑物安全的水流流态.在一定库水位的范围内,出口弧形工作闸门应该局部开启,使洞内不出现非稳定流,以保证隧洞的安全.经分析计算,确定了水库水位所对应的闸门开度.     

平板闸门小开度闸后水流特性数值模拟

现采用Fluent软件进行数值模拟,结合高水头平板闸门小开度的水工模型试验,对影响闸后水流特性的主要因素闸前水头和闸门开度进行研究,运用Fluent软件建立合理的数学模型进行模拟计算,并将计算结果与物理模型试验实测数据进行对比,两者吻合良好,且能较好反应平板闸门小开度闸后水流特性。表明应用数值模拟的方法研究平板闸门小开度闸后水流特性是可行的,并对数值模拟结果进行分析,得到相关规律。     

泄水闸开启方式对通航水流条件的影响

为研究闸门开启方式对枢纽下游引航道口门区水流特征及通航水流条件的影响,以北江白石窑枢纽泄水闸为例,针对不同闸门开启方式对下游引航道口门区通航水流条件的影响开展三维数值模拟研究。结果表明:在较小流量情况下,闸门开启方式对下游引航道口门区通航水流条件影响较小;当流量较大时,闸门开启方式对下游引航道口门区通航水流条件影响较大。对于白石窑枢纽泄水闸,单开左岸泄水闸,或集中开启左岸泄水闸并间隔开启右岸泄水闸,下游引航道口门一线船闸航道右侧将不能满足通航水流条件要求。为保证船舶航行安全,建议该工程在下泄洪水时尽可能开启右岸泄水闸,或均匀开启全部泄水闸。     

水闸下游渠道中水深变化规律的试验研究

运用全组合试验设计法的思想对水闸下游渠道中流态转变时水流特性进行试验研究。通过放水试验,研究矩形水槽内闸后水深h与流量Q、渠道纵坡i、闸前水头H、闸门开度e等物理量之间的关系。试验得出水闸下游渠道中的最大水深并非对应于渠中的最大流量,它与闸门开度、闸前水头有关。根据试验结果得出了跃前水深h1、跃后水深h2的经验公式。     

双孔护镜门闸顶泄流水动力特性与流态特征的三维数值模拟研究

江苏南京三汊河河口闸工程采用双孔护镜闸门,为了准确揭示其典型挡水工况下(大闸门关闭,闸顶溢流)闸后水流的水动力特性与流态特征,本文建立了基于时均雷诺方程和RNG k-ε紊流模型方程的封闭模型方程组,对河口闸典型挡水工况的泄流流态进行了三维数值仿真研究。采用非结构化四面体网格和分体网格技术对复杂边界条件下的数值模拟进行优化。计算结果与物理模型试验结果吻合良好,揭示了典型挡水工况下水闸下游水流流态、涡漩结构规律和流速分布特征,对这种新型闸门的安全运行与结构稳定具有重要意义。     

北疆供水工程应急闸控下的水力响应分析

为了研究北疆长距离供水渠道应急闸控措施的选取,通过构建一维非恒定流数学模型,对应急闸控下的水力响应进行分析,针对不同应急情景提出闸控方案。结果表明:事故渠段上下游节制闸紧急关闭时,上游闸后及下游闸前水位变幅很大,渠段内水位波动剧烈;适当减小闸前控制水位以引导渠段退水闸的开启,可有效削减闸前水位壅高值,但闸后水位降幅增大;渠首引水闸快速关闭可以有效减小事故段退水和削减闸前水位壅高的压力,非紧急工况下,渠首引水闸保持小流量供水可以维持分水口用水且利于全线恢复供水;事故段上、下游节制闸关闭速率越大,事故段水体控制效率越高,但闸前壅高、水体稳定时间都会相应增大。     

Gate Regulation Speed and Transition Process of Unsteady Flow in Channel

The operation methods of channel and the speed of gate regulation have great influence on the transformation of flow in water conveyance channels. Based on characteristics method, a 1-D unsteady flow numerical model for gate regulation was established in this study. The process of water flow was simulated under different boundary conditions. The influence of gate regulation speed and channel operation methods on flow transition process was analyzed. The numerical results show that under the same conditions, with increasing regulation speed of the gate, the change rates of discharge and water level increase, while the response time of channel becomes shorter, and ultimately the discharge and water level will transit to the same equilibrium states. Moreover, the flow is easier to reach stable state, if the water level in front of the sluice is kept constant, instead of,behind the sluice. This study will be important to the scheme design of automatic operation control in water conveyance channels.     

基于明满流瞬变计算方法的大型灌区输水隧洞最优泄水流量计算

为了明确输水隧洞内的明满流水力瞬变过程以及优化泄水闸的泄水流量,介绍了圆形输水隧洞中明满交替水流水力瞬变计算原理和方法。以某大型灌区干渠工程为例,根据窄缝法计算原理,采用显式差分中的扩散法,对圆形输水隧洞中的明满交替水流进行了水力瞬变计算研究。给出了圆形隧洞瞬变流计算的水力要素计算公式,得到了输水流量变化时隧洞不同断面的水深或压力随时间的变化曲线。结果表明:当圆形隧洞水位封顶时,隧洞中的水压力越靠近下游断面,压力突升越剧烈;明流状态下节制闸关闭时间对隧洞内最大水深影响较小,隧洞内的最大水深随着泄水闸泄水流量的增加呈线性减小的趋势,根据数值模拟计算给出了泄水闸合理的设计泄水流量。研究成果可为输水隧洞工程的设计提供借鉴和参考。     

流量对事故闸门门体水力荷载影响数值模拟研究

抽水蓄能电站事故闸门动水闭门可靠性及门体水力荷载特性一直是闸门设计和运行中的核心问题,本文通过数值模拟,对响水涧抽水蓄能电站上库进水口事故闸门在不同事故流量工况下动水闭门过程的门体水力荷载进行研究,并与模型试验结果进行比较分析,相同事故工况的数值计算成果和模型试验成果吻合较好,表明采用RNG k~ε模型和VOF方法对平面闸门动水关闭的非恒定流过程进行数值模拟能够取得较好的结果。数值模拟计算结果表明流道的过流量对事故闸门门体水力荷载影响显著,初始事故流量越大,闸门动水关闭过程中闸门区满流向明流过渡时刻的闸门相对开度越大,闸门上游底缘上托力越小,事故闸门动水闭门的持住力相应越大。事故流量由151 m~3/s增大至800 m~3/s时,闭门持住力增大约20%。计算分析结果可为相关闸门的设计和运行提供参考。     

急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究

在河弯处修建水工建筑物时,研究弯道水流特性对水工建筑物布置的影响十分重要。采用RNCκ-ε紊流模型对急弯段闸孔出流的弯道水流进行了三维数值模拟。通过模拟计算,比较分析了急弯段不同闸位、不同流量条件下闸孔过流时的流速分布、紊流动能、压强分布和环流等相关水流特性与变化规律。分析研究结果表明,闸坝位于弯道上游时,弯道对闸坝过流的影响最小,但需对闸坝下流弯道凸岸岸坡附近区域采取一定的防护措施;闸坝布置在弯道中游时,过闸水流受弯道的影响最小,闸室水流的稳定性、闸门的工作安全以及闸墩的空蚀破坏都是实际工程中需要注意的重点。数值模拟验证与物理模型试验结果吻合较好,计算精度较高,能够满足相关计算研究要求。     

南水北调中线干线节制闸过流公式率定及曲线绘制

南水北调中线线路长、分水口门多、无在线调蓄水库,且正处于初期运行阶段,需逐步建立健全各类闸门技术档案,尤其是率定各类闸门过流公式和绘制闸门控制运用图表,这对于精确实施渠道控制、指导闸门日常控制操作、保障输水调度安全具有重要意义。以刁河节制闸为例,基于量纲分析法,在孔流条件下利用南水北调中线干线通水运行观测数据开展了节制闸过流公式率定,并在此基础上绘制出节制闸不同闸前、闸后水位差下的过闸流量与闸门开度关系曲线。结果显示：量纲分析法物理概念比较清晰,公式形式较为简单,率定工作量大大降低,实测流量与计算流量误差基本在±6%之间,而平均误差约为3%,率定精度较高,具有较强的实际应用和推广价值;同时节制闸过闸流量曲线的绘制,为日常调度人员掌握过闸流量变化、适时开展闸门调度提供了决策依据。