不同高度的齿墩式消能工的数值计算

齿墩式消能工是一种突扩突缩式的内流式消能工,利用Gambit建立齿墩式消能工模型并对其网格划分;再利用Fluent内的RNGκ-ε涡流模型计算管道内水体运动;借助Tecplot软件数据后处理,并利用物理模型试验进行对比分析。结果表明,齿墩正后方会出现涡,在试验流量范围内涡的长度在0.98 D~1.18 D之间,并随流量的增大而增大;流经齿墩段的最大水流流速是断面平均流速的2.3倍;同一布置形式的齿墩式内消能工的紊动能与其耗散率整体分布规律不随流量的改变而改变,可进一步了解齿墩式消能工的消能情况。     

岛屿地貌单元的湍流能耗物理模型试验

岛屿地貌单元是珠江三角洲发育演变过程中的沉积核心,研究其消能机制,对理解河口动力过程及三角洲发育演变有重要意义。通过建立岛屿地貌单元的湍流能耗特性概化物理模型,基于16 MHz ADV采集高频流速数据,统计了时均及湍流特征量,并利用惯性耗散法分析了岛屿地貌单元的湍流动能耗率。结果表明,相同控制条件下岛屿地貌单元的形态阻力致使尾流中紊动强度量值为明渠的2~3倍,湍流剪切应力及湍流动能较明渠水流的大近1个数量级,湍流动能耗散率比明渠水流湍流动能耗散率大1~2个数量级。岛屿地貌单元的局部形态阻力导致尾流时均流速的空间梯度、切应力增大是湍流能耗率增大的原因。岛屿地貌单元的汇流作用增加了下游尾流区的水流掺混,并在尾流区域形成大量微尺度涡,导致区域湍流能耗作用增强,有利于岛屿沉积核心发育。研究成果有助于理解河口动力及三角洲的发育演变过程。     

阶梯-深潭结构下的潜流交换过程试验研究

通过水槽试验验证了FLUENT结合COMSOL模拟阶梯-深潭结构下潜流交换过程的可行性,对比平坦河床,分析了阶梯-深潭结构下潜流的交换路径及不同区域的交换强度。结果表明,实测河床水沙界面水压力与模拟值吻合较好,阶梯坎附近呈现顺流下沉流、平行流、顺流上涌流、逆流上涌流4种水流状态。阶梯-深潭结构引起的水头变化是潜流交换的直接驱动力,阶梯坎上游及冲刷坑下游地表水进入河床后在冲刷坑内重回地表,完成了潜流交换过程。阶梯-深潭结构的潜流交换强度约为平坦河床的100倍,最大值出现在阶梯坎下方,最小值出现在阶梯坎下游约1m处的"速度零点"区域,该区域下游潜流交换速度明显减弱。     

丹尼尔式鱼道内水流紊动特性试验研究

鉴于鱼道内紊流状况是影响鱼类能否顺利通过的重要因素,为提高丹尼尔式鱼道内过鱼效果,通过物理模型试验,分析了鱼道在不同工况下的水力特性,并重点研究了水流的紊动特性。结果表明,池室中的流场具有明显的主流区和回流区;横向u、纵向v、垂向w紊动强度分布形式大致相同,由紊动强度较大的主流区向回流区扩散（由主流区向回流区逐渐减小）;在xy平面上,雷诺应力随离边墙的距离增大而减小;水流通过隔板跌落处紊动能达到最大值,并沿程减小。     

基于PIV技术的阶梯溢洪道流场和涡量测试

鉴于阶梯溢洪道流场和涡量场分析对其消能特性的研究非常重要,利用粒子图像测速技术(PIV)测试了阶梯溢洪道滑行水流的二维流速场和涡量场,并分析说明了模型装置、仪器测试区域和相应参数设置。通过处理粒子图像获得模型水面线,验证了模型的水流流态为滑行流;从~#3～~#5阶梯的流速等值线分布特征得到阶梯滑行主流沿水深方向的流速变化,台阶凹角内旋滚水流的流速和转动周期;从~#3～~#5阶梯的垂直涡量场等值线分布,得出阶梯溢洪道滑行流态旋转水流产生的原因和运动方式,验证了阶梯溢洪道水流紊动耗散的主要原因;并通过计算阶梯消能率,说明了试验模型的消能效果。对PIV技术用于其他消能工消能特性的研究提供了参考。     

低佛氏数水跃下游水流紊动特性的试验研究

本文应用CDL-86型超声多普勒流速仪,对佛氏数Fr=2.16～4.34的水跃跃前断面和跃后水流的紊动特性进行了试验研究;分析了跃后水流的紊动能量、紊动强度衰减率和水跃消能率等;Fr=2.99可能是这些量变化的突变点或转折点;并通过对试验资料的回归计算得出了跃后水流的紊动能和紊动强度及其衰减率随佛氏数变化的计算式,给出了计入多种影响因素的水跃消能率计算式.认为低佛氏数水跃跃前断面流速分布不均匀以及紊动值的大小对跃后水流有较大影响,近低区较大流速梯度和较大的水流紊动作用是造成水跃下游河床冲刷破坏的主要原因之一.     

小挑坎对某拟建大型水电站导流洞出口区消能与冲刷改善机理研究

山区河道导流隧洞出口区具有单宽流量大、流速高、河床覆盖层深且抗冲流速小等特点，多数隧洞出口区河床冲刷剧烈，而布置大型消能措施较困难，故提出在隧洞出口布置小挑坎的措施。在物理模型试验观测隧洞出口区水流流态和河床冲刷的基础上，采用数值模拟方法计算导流隧洞出口区水流流场，研究河床冲刷改善的内在机理。结果表明，导流洞出口增设小挑坎后，可增大出洞高速水流的横向扩散和减小单宽流量，增加局部消能率，从而降低河道岸边流速；高流速出洞水体占比明显减少，使高速水流无法直冲右岸滑坡体，减小滑坡体范围流速；出洞水流宽度增加，出洞水流方向变为斜向上出流，减弱对右岸滑坡体的冲击，并且使导流洞出口区及下游河道受到的冲刷明显减弱。研究成果可为工程实践提供参考。     

溢洪道交错式阶梯消能工的消能特性研究

为分析不同坡比下交错式阶梯消能工的水力特性，采用数值模拟与模型试验相结合的方法，对比研究了不同流量下1∶2.0、1∶2.5两种坡比交错式阶梯和矩形台阶消能工的流态、流场、压力场及消能特性等。结果表明，交错式阶梯消能工坡比增加，台阶凹槽处形成的三维漩涡尺度增加，水流旋滚剧烈，水深较大；台阶竖直面压强的绝对值较大，负压区范围增加。两种坡比下台阶水平面压强分布相似，均表现为越靠近台阶外沿压强越小。坡比为1∶2.0的阶梯消能工消能率更大，同一坡比消能工的消能率与流量呈非线性关系，流量越大消能率变化越缓慢。交错式阶梯消能工较矩形台阶溢洪道掺气更加充分，消能率更高。研究结果可为交错式阶梯消能工的结构优化提供理论依据。     

溢流反弧紊流边界层数值分析

本文在极坐标系下建立了一个模拟溢流反弧水流平均运动特性的数学模型.用Κ—ε紊流模式使基本方程封闭,用控制体积法对计算区域进行离散,最后编制大型计算机通用程序对四种不同反弧半径的紊流流场进行了求解.通过四个算例获得速度分布、边界层厚度、紊动动能变化、紊动能耗散率变化、反弧壁面切应力变化等资料.除紊动资料和反弧壁面切应力资料无实测资料验证外,其余计算均与实验结果吻合良好.     

底流消能工水流结构与掺气浓度分布试验研究

底流消能工中水流紊动剧烈、大量掺气,面临着空化空蚀问题。为研究底流消能工气体迁移扩散运动与水流结构相互作用机理,采用水力学试验开展研究,对底流消能工进行水流结构划分,通过调整流量与尾坎高度,改变入射Fr数及跃后水深与跃前水深比,分别测出消力池内掺气浓度值,并分析数据研究水流结构区气体的运动机理,得到消能工内掺气浓度分布规律。结果表明,掺气浓度随Fr数的增大而增大,随跃后水深与跃前水深比的增大而减小;各水流结构区掺气浓度沿程衰减,纵向衰减速率附壁射流区射流扩散区稳定区;横断面掺气浓度呈"双钟形"分布规律;竖向掺气浓度附壁射流区变化曲线呈凹型递增、射流扩散区先增后减、稳定区递减规律。水流结构区交界处形成气体交换带,是气体发生交换的主要区域,掺气浓度在气体交换带处达最大值。该研究可供底流消能工的防空化空蚀参考。     

台阶式泄洪槽水工模型试验研究

为验证山西省某森林公园台阶式消能泄洪槽设计的合理性,通过模型试验研究了该消能泄洪槽不同流量工况下的流态、台阶平面压力、流速分布及消能效率。结果表明,在试验流量范围内,泄槽内为跌落水流和过渡水流,掺气不明显;台阶平面压力变化范围为-9.7~24.4kPa,当流量为6m^3/s时,出现最大负压9.702kPa;除#3消力池进口处外,三段台阶式消能段均为泄槽底部流速较小,对泄槽底部冲刷较小,泄槽水流表面流速最大;在不同流量下台阶式泄槽+消力池联合消能率均超过了90%,其中大部分能量消散在溢洪道台阶上。研究成果可为类似工程提供参考。     

A MULTIPLE-TIME-SCALE TURBULENCE MODEL BASED ON VARIABLE PARTITIONING OF THE TURBULENT KINETIC ENERGY SPECTRUM

A multiple-time-scale turbulence model based on a single point closure and a simplified split-spectrum method is presented. In the model the effect of the ratio of the production rate to the dissipation rate on the eddy viscosity is modeled using multiple time scales and a variable partitioning of the turbulent kinetic energy spectrum. Example problems included are a wall-jet flow, a wake-boundary-layer interaction flow, a backward-facing step flow, and a confined coaxial swirling jet. The multiple-time-scale turbulence model yields significantly improved computational results compared with those obtained using the k-c turbulence model. It is also shown that the present turbulence model can resolve the viscous superlayer of turbulent flows.     

Large eddy simulation of turbulent flow in porous media

An LES (large eddy simulation) study was conducted using one of standard numerical models for a porous medium, namely, a flow through a periodic array of square cylinders. The LES results were processed to extract macroscopic results such as the macroscopic turbulent kinetic energy and the macroscopic pressure gradient. These macroscopic results are compared against those obtained using conventional models of turbulent kinetic energy and its dissipation rate, so as to examine the validity of extending the conventional two equation models of turbulence to the flow in porous media. The spectrum of turbulence was also examined to appreciate the onset of turbulence.     

倾斜射流对移动平板表面紊动和传热特性的影响

采用雷诺应力湍流模型和Simplic算法对半封闭槽道内倾斜射流冲击移动平板的流动和传热特性进行了数值模拟,研究了不同射流角度和不同平板移动速度下平板近壁湍动能和板面努塞尔数的变化.结果表明：射流角度和平板运动速度对平板近壁湍动能和表面努塞尔数值分布影响显著;当入射角与平板运动方向相同时,板速的升高提高了近壁面的湍动能,但是降低了冲击区域的局部努塞尔数值;平板表面的平均努塞尔数值随板速的提高先降低后大幅升高,高速下角度对平板表面的平均传热效果影响较小;当入射角为80°,平板运动方向与入射方向相反且板速和射流速度相同时,在移动平板表面能够获得较佳的紊动和传热效果.     

基于两方程湍流模型的均匀流中湍流动能衰减规律研究

通过理论推导和数值模拟,从湍流模型封闭系数的确定过程、输运方程扩散项的影响因素、入口边界条件和网格尺度等方面分析标准k-ε模型、标准k-ω模型和SST k-ω湍流模型在计算均匀来流时湍流动能的衰减规律及其本质物理区别;通过数值模拟分析中性大气条件下湍流动能的衰减规律.结果表明,在均匀流中,采用标准k-ε湍流模型,入口湍...     

交错叶片式双吸泵流动特性分析

为探究交错叶片式双吸泵的内部流动特性,本文基于CFD性能预测方法,在0.19Q_0~1.54Q_0不同流量工况下对某型号交错叶片式双吸泵全流道进行了数值模拟,并研究了泵外特性变化规律,分析泵压力、流速、流线和湍动能分布情况。结果表明:交错叶片式双吸泵效率高,额定工况下效率达到86.2%,高效区范围广,在额定流量工况附近,效率保持在80%以上;泵内部流动稳定,无明显漩涡与回流;在小流量工况下,泵内部流动变得紊乱,在叶轮流道间、叶轮与压水室交界处和隔舌附近存在明显脱流与漩涡,湍动能耗散严重,导致泵效率急剧下降。通过本文研究能对这类双吸泵的高效使用提供一定指导,并为该泵的进一步优化提供一定的参考。     

燃气多射流切圆预混流动特性的数值模拟

利用FLUENT软件对所设计的多射流切圆预混多孔介质燃烧器进行流场模拟,主要研究流道结构、预混室的几何结构、空气和燃气速度及压力等因素对空气系数的影响,并重点分析速度、压力流场与湍流动能及湍流动能耗散率的变化分布,确定合理的预混室参数。     

齿墩内表面不同的两种体型齿墩式内消能工的数值模拟

为了研究两种体型齿墩式内消能工对管道内部水力特性的影响,采用FLUENT软件中的κ-ε数学模型模拟分析了齿墩内表面为平面(体型Ⅰ)和齿墩内表面为圆曲面(体型Ⅱ)两种体型消能工的流场、压力场、紊动能及水力参数等。结果表明,相同流速下齿墩内表面由曲面变为平面会扩大压强变化段长度和减小消能工出口处低压区的压强,且在大流速时体型Ⅰ在该区出现负压;消能工出口管壁附近会出现漩涡区,齿墩内表面由平面变为曲面,旋涡区域减小;紊动能的突变区域出现在消能工出口后,齿墩内表面由平面变为曲面会减小该区域的紊动能及其范围;齿墩内表面由平面变为曲面,消能工的消能率减小,流量系数加大,与其水力半径密切相关,为齿墩式内消能工的体型优化提供了依据。     

可变滚流GDI发动机缸内气体流动特性模拟研究

在一台可变滚流比直喷汽油机(GDI)上对不同滚流强度下缸内冷态湍流流场进行了数值模拟研究,并通过PIV结果进行了实验验证。研究结果表明:进气翻板关闭将显著提高缸内滚流强度并产生较强的湍流,尤其在气门升程最大时刻,其滚流比约为翻板开启时的5倍,湍动能为后者的4倍左右;缸内流场在高滚流比工况时较早地形成单一大尺度涡,同时涡心更明显,流场更加规则,流速相对较高,在进气下止点时平均流速为20m/s;在压缩过程中,高滚流比工况湍流的黏性耗散较大,湍动能衰减较快;但在压缩末期缸内湍动能较低滚流比工况高,同时分布更加均匀。