C-D无结构网格上的三维自由水面非静水压力流动模型Ⅰ：算法

为准确模拟垂向运动尺度较大的水流运动,本文基于压力分裂模式和半隐方法提出了C-D无结构、z坐标网格上的三维非静水压力流动模型的构造方法,并详细论述了模型的求解过程。模型先在忽略动水压强项的隐式部分的条件下求解控制方程,获得比较接近的初始解;再考虑动水压强项的隐式部分并求解一个关于它的三维Poisson方程,因此计算容易收敛。本文模型与传统的C网格上的非静水模型相比,增加了对水平切向动量方程的求解,消除了因C网格的简化处理所带来的精度损失。控制方程用有限体积-有限差分法离散,自由水面用水位函数法处理。对水位η和动水压强q分别采用不同的隐式因子以兼顾各自稳定和精度的要求。压力分裂模式、θ半隐方法和欧拉-拉格朗日方法(ELM)等的联合使用使得本模型具有简单、稳定、高效的特点。     

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。     

C-D无结构网格上的三维自由水面非静水模型:Ⅰ-算法

为能准确地模拟垂向运动尺度较大的水流运动，本文基于压力分裂模式和半隐方法提出了C-D无结构、z坐标网格上的非静水压力模型的构造方法，并详细论述了模型的求解过程。模型先在忽略动水压强项的隐式部分的条件下求解控制方程，获得比较接近的初始解；然后，再考虑动水压强项的隐式部分并求解一个关于它的三维Poisson方程，因此计算容易收敛。本文模型与传统的C网格上的非静水模型相比，增加了对水平切向动量方程的求解，消除了因C网格的简化处理所带来的精度损失。控制方程用有限体积—有限差分法离散，自由水面用水位函数法处理。对水位η和动水压强q分别采用不同的隐式因子以兼顾各自稳定和精度的要求。压力分裂模式、θ半隐方法和欧拉—拉格朗日方法（ELM）等的联合使用使得本文模型具有简单、稳定、高效的特点。     

长江口边界拟合坐标的三维潮流数学模型

在正交曲线坐标系下，采用坐标变换，有限差分、交替隐式求解、动边界处理等方法，建立了边界拟合网格的三维潮流数学模型。应用在长江口潮流场的计算中，得到了与长江口实测潮流，流速和流向相一致的结果，能较好地反映长江口复杂边界和地形下的三维潮流变化。     

某新型灌水器流道水力性能的数值模拟

采用RNG紊流模型,对不同压力进口条件下的某新型灌水器内部流道进行了三维数值模拟,通过与实测结果进行对比,验证了所选数学模型的可靠性和正确性,并得到该新型灌水器水头损失和流量关系以及上下游压差力和流量的关系,可以为微灌灌水器的研发提供技术支撑。     

长江口边界拟合坐标的三维潮流数学模型

在正交曲线坐标系下 ,采用坐标变换、有限差分、交替隐式求解、动边界处理等方法 ,建立了边界拟合网格的三维潮流数学模型 .应用在长江口潮流场的计算中 ,得到了与长江口实测潮位、流速和流向相一致的结果 ,能较好地反映长江口复杂边界和地形下的三维潮流场变化     

河道三维水流数学模型计算及应用

建立了考虑非静水压强影响,采用平面上非结构化网格、垂向分层动网格方法的三维水流计算模型,并应用到长江流域莱家铺河段。模拟计算所得的水深,垂向流速分布,平均流速均与实测数据吻合较好,流速沿程分布与实测基本一致,验证了计算结果的合理性与准确性,并反映了三维数值模拟的物理量守恒性,对三维水流运动特性分析研究有着重要的意义。更多还原     

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。     

超低水头水轮机动静干涉效应的数值模拟研究

采用RNG k-ε湍流模型对一可用于小水电、越浪式波浪能发电的单级超低水头水轮机进行了全流道三维非定常流动计算,应用滑移网格技术考察了动静干涉效应。通过数值模拟计算,分析比较了不同流量下水轮机压力、轴向速度的脉动特性,以及轴向水推力、力矩的变化规律。结果表明：水轮机内流场周期性脉动明显,该周期性脉动主要由静叶尾迹与动叶间的干扰所引起,脉动频率以叶片通过频率为主;随着流量（水头）的增加,无叶区压力、轴向速度的波动幅值均逐渐增大。     

基于灌水器水力性能的紊流模型对比研究

采用计算流体动力学软件Fluent提供的3种最常用的紊流模型,对不同压力进口条件下的某新型灌水器内部流道进行了三维数值模拟,获得了水头损失及堵头上下游压差力的数值模拟结果,通过与实测结果进行对比可知,RNGk-ε模型是最适合模拟该灌水器水力性能的紊流模型,可以为今后灌水器的研发提供参考。     

轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟

通过作者建立的非稳态过程三维湍流数值模拟方法,模拟了轴流式水轮机模型飞逸过程,并进行了其三维数值湍流计算,获得了机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。计算结果表明,所得最大飞逸转速与试验值非常接近,误差在1.5%以内;所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性;当转速增大到某一数值之后,尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。     

采用拟静力法的新型桶式基础防波堤结构稳定性分析

三维情况下,桶体稳定性是一个复杂的空间结构与土相互作用的问题。结合工程实例,建立了三维新型桶式基础防波堤有限元模型,对其稳定性进行分析。从而,动力作用下桶体结构位移与目前静力计算的结果相差较大,针对这个问题,分析提出等效拟静力法,通过与动力作用后相等的孔压等效成与之对应的静荷载,然后计算桶体位移。该方法的关键是找出桶体前端底部土体孔压与静荷载之间的关系,同时找出此处土体孔压与动荷载之间的关系,从而建立静荷载与动荷载之间的关系。经数值模拟与试验对比,结果证明所提的等效拟静力法比较合理。在模拟与分析原型桶体基础上,进一步分析了不同尺度及不同荷载作用点高度时,桶体前端底部土体孔压与静荷载之间的近似直线关系。     

库区滑坡涌浪传播及其与大坝相互作用机理研究

库区滑坡涌浪可能危及大坝及下游安全,基于流体动力学的滑坡涌浪数值模拟可获得完整的分析数据,将成为研究滑坡涌浪与大坝作用过程的重要手段。本文以某大坝上游约1300 m的3#变形体滑坡涌浪为研究对象,建立库区三维滑坡涌浪数值模型,并通过水工物理模型试验对其模拟精度和有效性进行了验证。研究结果表明,数值模拟得出的涌浪高度变化、水面起伏过程与水工物理模型试验结果基本一致,数值模拟能反映滑坡涌浪传播及其与大坝相互作用的整个过程。最后基于数值模拟获得的数据,分析了滑坡涌浪与大坝作用过程,以及坝面动水头与坝前涌浪高度的变化关系。分析认为,库区水体反复震荡、叠加而形成的涌浪对下游沿岸安全危害可能更大,大坝坝顶及下游有必要采取避险措施;最大动水头小于涌浪高度,若采用静力方法计算分析坝体稳定应力,其结果偏于安全。     

胥浦活水泵站肘形进水流道流态分析及优化

胥浦活水泵站为一座长江边低扬程引水泵站,设计流量5.0 m3/s,最大扬程3.3 m。为适应其低扬程、小流量的特点,选用了全贯流潜水泵,在原胥浦节制闸底板上改建安装。为了保证在长江低水位时,水泵进水口完全淹没,进水流道型线平顺,流道内无涡带或其他不良流态,机组启动正常和运行稳定,利用三维数值建模、边界条件设置与三维湍流流动模拟,运用计算流体动力学CFD方法,进行进水流道内部流动数值模拟,多方案分析和比较进水流道内部流态、水泵进水条件和流道的水力损失。计算结果表明,进口尺寸1.1 m×3.4 m(高×宽),出口直径1.2 m的型线B方案进水条件好,流道水头损失小,满足水泵高效运行的要求。优化设计方案为泵站安全运行提供最优的设计进水流道型线和设计参数。     

杨房沟水电站截流进占水力特性数值模拟分析

为分析比选杨房沟水电站截流工程进占方案,通过建立相关三维数值模型,采用水力模拟计算技术对单戗堤单向及双向立堵进占方式的水流条件进行了计算,并将单向立堵进占数值模拟计算结果与物理模型试验结果进行了对比分析。结果表明:三维数值模拟与试验结果较为吻合,计算结果偏于安全;同时指出在现场条件允许的情况下,双向立堵进占能够有效降低该工程截流难度。     

水平进水口自由表面旋涡数值模拟研究

旋涡运动是一种复杂的水流运动,目前尚难得出理论上的精确解。自由表面旋涡是水工建筑物进水口前的常见水力学现象,其发生常会对水工建筑物造成不利影响。旋涡数值模拟难度较大,尤其是吸气旋涡较难模拟出。建立了进水口旋涡三维数值模拟的模型,模拟出吸气旋涡现象。分析了计算结果与物理模型试验结果的差异,探讨了VOF法在水气两项流中的运用,为进一步进行吸气旋涡的三维数值模拟提供了一定经验。     

高水头船闸一字闸门水动力特性数值模拟

针对某山区高水头船闸30 m淹没水深下一字闸门的水动力特性进行研究,借助FLUENT软件提供的Realizable k-ε紊流模型对门体启闭过程非恒定流场进行动态模拟,通过建立由二维平面混合网格纵向拉伸成的三维棱柱体网格,结合2.5D重构和弹性光顺动网格法,在降低网格数量、提高计算效率的同时,实现一字闸门启闭全过程三维流场模拟。引入VOF法对自由水面迭代求解,得到一字闸门启闭过程门前后水位差及动水阻力矩变化规律,将计算结果与模型试验进行比较,两者吻合较好。模拟计算发现:门底间隙对闸门运行整个阶段动水阻力矩均有影响,动水阻力矩峰值随门底间隙增大而变小。     

Numerical models and theoretical analysis of supercritical bend flow

The flow pattern of supercritical flow in bend channels is complicated due to the shock wave phenomenon, which creates difficulties with regard to research and design of bend channels. Using the spillway of an actual project as an example, a three-dimensional numerical investigation was conducted to simulate the flow in a steep-slope bend based on the renormalization group(RNG) k-ε turbulence flow model and the volume of fluid(VOF) method. The validity of the numerical simulation was demonstrated by comparison between the results of numerical simulation and physical model tests. An optimal scheme of setting vertical vanes in the bend channel is presented. The results of numerical simulation and physical model tests are in agreement, which demonstrates the effectiveness of optimization of vertical vanes and the validity of the three-dimensional numerical simulation. Water depths along both bend walls were analyzed numerically and theoretically. The formula for calculating supercritical water depth along either bend wall was derived, and the critical condition of flow separation from the inner wall was determined.