溢流堰过堰流动的数值计算

工程上溢流堰的过流能力以及堰面压强分布多采用水工模型试验方法确定。利用三维的流动数学模型,κ-ε模型封闭紊流,流体体积分数法(VOF)追踪自由表面,对一座WES实用堰和一座宽顶堰的过堰水流进行了数值模拟。模拟计算结果与物理模型试验结果对比表明,WES实用堰的流量系数计算值为0．4953,其实验值为0．4842,二者仅相差2％左右,计算的堰面压力与实验值吻合较好;计算的宽顶堰流量系数也与实验值非常一致。数值模拟方法是可行的。     

基于SPH方法的二维宽顶堰溢流数值模拟

光滑粒子水动力学方法(SPH)是一种基于纯拉格朗日思想的无网格粒子方法,在众多科学和工程领域得到了初步应用。采用SPH方法对二维宽顶堰溢流进行了数值模拟,并利用机群进行并行计算来提高计算效率,将模拟数据与试验数据进行了对比。结果表明,SPH方法可以模拟出二维宽顶堰自由出流和淹没出流时水流流态、水跌、回流区、水跃现象,计算出溢流流量、流速等水力参数,并且采用数据拟合得出与理论相符的断面流速分布图。结果表明了SPH方法可以较好模拟二维宽顶堰溢流中的流速分布以及水面曲线。     

阶梯式溢流堰水力特性研究

阶梯式溢流堰的体型设计直接影响其水力特性及下游消能设施的规模。结合凯乐塔水电站工程的水力学模型试验,选用3D紊流模型,采用VOF法对其阶梯式溢流堰流场进行了三维数值模拟,分析不同水力工况条件下坝面下泄水流水力参数,并与水力学模型试验所测数据进行对比分析。研究结果表明,合理布置阶梯式溢流面能减少过流流速,提高消能效果,缩短消力池长度。     

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。     

自流压力输水管路保水堰最小安全超高分析

自流压力输水管路的保水堰是保证稳定供水和安全运行的重要工程措施。本文把调节池输水管道保水堰作为一个水力系统，分析保水堰的工作原理和运行特点，建立动态水流的数值计算模型。利用试验数据对计算模型进行验证后，采用数值方法对保水堰的水流特性进行模拟。结果表明，当输水系统停水时，长管道水流的惯性力作用可能引起调节池的水位跌落和波动，为了防止进水口发生水体脱空现象，保水堰的最小安全超高需大于上游突然停水时调节池的最大跌落深度，从而建立了保水堰安全超高的估算公式。     

带泄水洞溢流堰水力特性初步研究

水库溢洪道控制段一般为溢流堰形式,而堰体中有泄水洞的溢流堰在水利工程中并不多见.通过以黑山口水库溢洪道溢流堰为例,采用三维数值模拟方法,研究了带泄水洞溢流堰泄洪时的当量流量系数、流态等水力特性,为水利工程设计提供参考.     

曲面X型宽尾墩闸室内水力特性模拟研究

为了高精度模拟水流通过水工建筑物时的流场特性,采用CLSVOF法并引入RNGκ～ε紊流模型的新型数值模拟方法,对某水电站曲面X型宽尾墩泄流时的水力特性进行了三维数值模拟研究,获得了宽尾墩闸室内水流流态、水面线、流速、压力等水力参数.数值模拟结果与物理模型试验结果吻合良好,验证了CLS-VOF数值模拟方法的可靠性.     

核电站排水跌落井的设计尺寸探讨

阐述了核电站排水跌落井的功能、作用及特点,通过水力模型试验对比了跌落井溢流堰的型式,推荐采用水流平顺、过流能力强的实用堰。首先通过水力学公式计算跌落井的设计值,再利用水力模型试验验证并优化设计值,总结了跌落井的堰上水位、长度、宽度的计算方法。     

上游面倾斜的高溢流坝堰顶形状优化研究

本文分析了现有高溢流坝堰顶形状的不足之处,建议堰顶上游用椭圆曲线与上游堰面相切,堰顶下游用同一的指数曲线。运用二维数值模型优化研究了椭圆曲线的长、短半轴,提出一种新的溢流堰顶形状,称为南研型堰顶。最后,在水槽中对S=1/3、2/3及1的堰顶进行了验证试验,计算和试验的流量系数、堰顶压强水头基本一致,从而证明南研型堰顶形状可作为上游面倾斜的高溢流坝堰顶设计的依据。     

琴键堰水力特性数值模拟

为了探究琴键堰水力特性,采用VOF模型模拟了琴键堰运行时的三维流场,采用Lempérière的试验结果验证了VOF模型数值模拟方法的可靠性。通过不同几何结构的琴键堰进行的正交数值试验,确定了影响琴键堰泄流效率的主要几何参数;并针对这些几何参数,进行了数值仿真计算和理论分析,推导了琴键堰的新流量计算公式,经验证,该公式最大相对误差为6.7%,平均相对误差为3.7%。研究成果可为琴键堰的设计和工程应用提供可靠理论依据。     

基于SPH消力池内陡坡水跃的数值模拟

为了满足明渠水流入流的边界条件,扩展SPH方法在明渠恒定流模拟中的应用,本文建立SPH方法的出入流模型,通过设置相应的出入流边界条件,研究不同坡度下消力池内陡坡水跃特性。针对两种不同流量,对斜坡坡角θ分别在20°、30°、45°条件下的陡坡水跃进行数值模拟。模拟结果与文献中的实验结果进行对比分析,结果表明:出入流模型能为陡坡水跃的数值模拟提供稳定的水流。各陡坡不同流量下水面线的变化趋势基本相同,误差均在±10%内;相同坡角时,单宽流量为0.063 m~2/s的消能效果均大于单宽流量为0.105 m~2/s的消能效果。该方法处理出入流边界简单,合理准确,能够较好地模拟不同坡度下消力池内陡坡水跃,得到陡坡水跃特性,具有一定的可行性和可靠性。     

深圳河四期蓄滞洪区物理模型试验方法研究

深圳河治理工程四期滞洪区模型试验的难点在于非恒定流自动控制系统和下游河道尾门水位控制的不确定性。通过经验公式计算和水槽试验优选模型加糙方案,下游尾门处采用复合堰的控制方法实现水位—流量自拟合功能,对深圳河滞洪区溢流堰结构形式、溢流堰与下游堤防衔接方式,以及溢流堰堰顶高程进行优化试验研究。试验结果表明,优化后的设计方案工效效果显著,可推广至类似滞洪区模型试验控制。     

低水头折线型实用堰泥沙淤积影响研究

采用物理模型试验和数学模型计算相结合的方法,研究了上游堰高对折线型实用堰堰面泥沙淤积的影响。结果表明:上游堰高为3 m时,由于上游堰高值较大,且堰顶高程未高于上游河床高程,堰面检修门槽处的底流速和紊动能较大,泥沙不易淤积停留,对检修闸门正常启闭的影响较小。试验结果对类似工程设计具有一定的参考价值。     

Ⅱ型折线型实用堰流量系数计算方法

Ⅱ型折线型实用堰广泛应用于中小型水利工程中,但不同水头和堰高比值下、不同堰体形式下的流量系数尚未有全面准确的确定方案。针对工程中常用的上、下游坡度为0.5~3.0的堰体,通过室内水工模型试验,对相对堰高H/P₁值在0.2~0.5、相对堰顶厚度δ/H值在1.0~2.5情况下的Ⅱ型折线型实用堰的流量系数进行了测定;并利用相关性分析、线性回归方法,整理推导出一套简单实用的Ⅱ型折线型实用堰流量系数计算方法。该方法可为工程设计提供参考。     

墩头超长实用堰泄洪安全分析及模型试验验证——以缅甸DAPEIN(Ⅰ)水电站工程为例

以缅甸DAPEIN(Ⅰ)水电站工程为例,论述了将WES实用堰的闸墩墩头向上游超长延伸之后,对泄洪安全所造成的影响。针对WES实用堰流量系数、堰面动水压力容易受边界因子影响的特点,对设计断面的堰顶布置和墩头形状进行了优化。根据堰面空化数计算公式及水流特性推导出计算的关键部位,对空化数进行计算。采用几何比尺为1∶60的物理模型对溢流堰的泄流能力和堰面动水压力进行了试验测试。试验结果表明:溢流堰的模型试验泄流能力和设计泄流能力非常相近。堰面动水压力除工况2的B4测点出现了-1.2 k Pa的微小负压值外,其余堰面时均压强值均大于0。从而,在泄流能力和堰面动水压力两方面都验证了这种设计方案的合理性。该工程所遇到的结构布置问题在中低溢流坝工程中属常见问题,解决思路可为今后类似工程建设借鉴参考。     

基于CCHE的重力沉砂池结构布置参数比选研究

为了提高重力沉砂池水沙分离效率,对重力沉砂池相关结构参数进行优化使各项结构参数取得较优值,并研究了侧向溢流堰长度与位置对重力沉砂池最终水沙分离效率的影响,且取得较优的侧堰长度与位置。基于CCHE软件采用混合掺长紊流模型建立CCHE2D重力沉砂池数学模型,得到重力沉砂池内水流流速、泥沙沿程分布及最终水沙分离效率,在已有研究成果基础上分析得到较优的重力沉砂池侧向溢流堰长度及位置。研究结果表明:改变侧向溢流堰长度及位置可将传统重力沉砂池水沙分离效率显著提高。当溢流堰长度取4 m并向上游移动1 m时可将水沙分离效率提高至71.20%。当侧向溢流堰向上游移动一段距离可以阻挡由沉砂池末端产生回流、漩涡等流态而卷起的泥沙,避免其流向清水池,从而提高重力沉砂池水沙分离效率。移动距离不可过前,否则距离过于靠前由于沉砂池边壁的阻挡容易使沉砂池末端形成一段"死水区",使沉砂池有效沉降距离减少,从而降低重力沉砂池水沙分离效率。     

基于CSPM方法对二维管嘴出流的数值模拟

针对传统SPH方法计算效率低和计算精度差的问题,采用CSPM方法对二维管嘴出流问题进行了数值模拟,利用机群进行并行计算。结果表明:通过计算可得出一定精度的二维管嘴出流流态、出口断面流速、管嘴内压强分布以及水平喷射距离,并且证明了CSPM方法可以改善传统SPH方法数值不稳定性。所得成果可为同类研究提供参考。     

低水头水电厂进水口水流条件优化水工模型试验研究

通过水工模型试验,以东坪水电站为例,探究消除发电机组进水口立轴旋涡,削弱横向流及斜向流,平顺进流,增加发电效益的工程措施。模型比尺为1∶45,制定16种试验方案,采用定性法分析电厂进水口水流流态,采用定量法分析站前、导墙、拦沙坎所选位置的水位及流速数据。结果表明,该电站厂房严重偏离主河道是水流流态恶化的主要原因,可以通过缩短导墙长度、降低高度,降低拦沙坎高度,流线化处理闸墩牛腿边界轮廓等方式,改善进水口水流流态。综合工程实况得出,将导墙高程89.0 m以上长度缩减至0 m,同时降低导墙及拦砂坎至同一高度(2.0 m),并对3~#、4~#机组中间闸墩牛腿边界轮廓进行流线化处理为最优方案,优化后水头损失较大的3~#、4~#机组发电效益分别增加2.2%和3.8%。研究结果对于类似低水头电站导墙的布置具有一定的借鉴意义。     

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。