透空潜坝附近水流特性的数值模拟

透空式潜坝是一种兼顾生态和环境的新型整治建筑物。为深入了解透空潜坝附近水流特性,基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽,对梯形透空式潜坝附近水流特性进行数值模拟,研究了透空率、水深和流速对潜坝附近流场、紊动能和涡量等水流特性的影响规律。结果表明:相同水流条件下,随着透空率的增大,坝后回流流速减小,坝后根部紊动强度逐渐增大,而坝后1~4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小,涡量先增大后减小。透空率不变情况下,在相同断面平均流速条件下随着水深增大,透水率逐渐减小,潜坝附近紊动强度整体减小,但紊动范围变化不大,坝顶强涡量区面积减小。在相同水深条件下随着断面平均流速增大,涡旋回流强度逐渐增大,潜坝附近高紊动区紊动强度整体也增大, 坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布,强度逐渐增大。     

堆积体影响下陡缓坡河道水流特性研究

滑坡、泥石流等地质灾害常在河流岸边形成堆积体,占据主河道过流宽度,改变原有水流流态,影响行洪与航运安全。基于前期水槽试验,利用数值模拟设置多组坡度条件,研究了沿程水面线、流速、水流偏转及紊动能变化规律,探讨了堆积体影响下陡、缓坡河道水流特性。结果表明:由于陡、缓天然水流流态差异,其断面比能大小与坡度成正比,在堆积体影响下,水流特性存在明显差异;陡坡上游壅水高度大于缓坡,动能较大使水流惯性更强,因此堆积体中轴线附近的水流偏转幅度与紊动强度相比缓坡有明显提升;在堆积体下游,缓坡水流通过水跃消耗能量,各项水流特征逐渐恢复到天然状态;陡坡条件下由于天然水流处于急流,流速持续增大,边壁折冲流频繁且幅度较大,导致水流紊动较强,并在下游出现多个紊动能量核。研究结果进一步揭示了不同底坡下堆积体河道水流特性,可为地震次生地质灾害区的河流治理及河床演变研究提供参考。     

近坝消能区过水围堰水流特性研究——以富春江水电站船闸改建工程为例

水利枢纽工程改扩建过程中,为协调施工与泄洪的关系,往往采用过水围堰实现枯水期挡水施工、汛期过流泄洪。汛期泄洪时施工围堰的水力指标三维性强、沿程变化较大,处于泄洪建筑物下游消能区内的围堰段受水流冲刷强度较大,而远离消能区的围堰段受冲刷强度相对较小。为寻求安全、经济的围堰防护方式,采用三维数学模型模拟了某枢纽船闸改建工程泄洪时坝下水流流场,重点分析了围堰附近流态、流速分布、涡量分布及压力分布特性。研究结果表明:下泄水流在消能区围堰附近形成水跃,强烈紊动水流顶冲围堰;在横向围堰与上游局部纵向围堰区域形成高流速、高涡量、非静压作用区域,该区域需加强防护。研究成果为该工程围堰分段、分区防护提供了科学依据,也可供类似工程参考。     

河漫滩湿地淹没柔性植物水流涡量场研究

含植物水流的涡量场构成了河漫滩湿地水生动物生境的物理基础，形成水、营养物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没柔性植物二维垂直涡量场的分布。得出流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素，植物冠层附近对水流的干扰大，因而流速梯度大；涡量最大值出现在淹没柔性植物冠层以下约50%处；植物冠层处，涡量绝对值大，拟熵大，能量耗散率也高。植物冠层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

含植物河道水流紊动特性研究

基于河流的修复、河道的管理及水资源可持续发展的理念,从对含植物水流的阻力特性、紊动 机理特性研究、水流涡量场及数值模拟研究四个方面开展含植物河道紊动特性的研究。研究结果表明: 在非淹没状态、淹没状态、淹没与非淹没状态共存三种情况下,植物增加了河道糙率,对泄洪不利;植物 在河道中顶部紊动强度和剪切力最大;含植物河道中水流能量耗散随着涡量值的增加而增加,拟熵也随 着涡量值增加而增加。以期为含植物水流的实验与模拟研究提供参考。     

梯形透水潜坝三维水流特性的数值模拟

基于OpenFOAM开源程序包,对4种透空率(0.1、0.2、0.3和0.4)潜坝的三维流场进行数值模拟,研究了透空率和流量对透水潜坝周围三维水流特性的影响规律。结果表明:相同流量条件下,随着透空率增大,坝后回流减弱,上升流高度降低,缓流区范围减小,涡量减小,坝体腔内及坝后透水圆孔附近紊动能增大;相同透空率条件下,随着流量增大,坝后缓流区范围增大,回流逐渐减弱,掺混紊动作用加剧,涡量及紊动能的大小和影响范围也逐渐增大。     

河漫滩湿地淹没柔性植物水流涡量场研究

含植物水流的涡量场构成了河漫滩湿地水生物生境的物理基础,形成水、营养物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没柔性植物二维垂直涡量场的分布。研究表明:流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素,水流过植物冠层附近受到的干扰大,因而流速梯度大;涡量最大值出现在淹没柔性植物冠层以下约50%处;植物冠层处,涡量绝对值大,拟熵大,能量耗散率也高。植物冠层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

管道突扩水流流场的数值模拟

一、引言 水利工程中广泛存在突扩水流运动.较常遇到的有:压力泄水洞平板闸门部分开启时,门后形成的突扩水流回流流场.在高水头大流速情况下,回流区的剪切层强烈的紊动交换,分离出许多大尺度的涡漩,在局部地区可能产生漩涡空化,造成两侧混凝土边     

复杂流动条件下过饱和TDG释放系数的确定

在总结国内外对TDG过饱和问题研究的基础之上，通过物理模型试验并结合数值模拟，以鱼道模型为例研究了绕流、回流等复杂流动条件下过饱和TDG的释放过程及释放系数。结果表明，鱼道模型内挡墙等建筑物的布置使水流出现绕流、回流等复杂水力学特征，由此增加了水体在鱼道内的滞留时间和局部区域的紊动动能，大大增加了过饱和TDG的释放。分析显示，在高紊动区域，过饱和TDG的释放速率与紊动强度成正相关关系。     

明渠流淹没丁坝周围流场特性的实验

为了研究淹没丁坝对水流的影响,对单丁坝周围水流结构进行了定床实验研究,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV),获得了丁坝周围水流的流速信息,从多方面对水流结构进行分析,在此基础上分析了淹没丁坝的绕流机理。结果表明,淹没丁坝周围的水流结构具有强三维非恒定特性,在瞬时流场下,丁坝后的尾流紊动强烈,丁坝坝头和坝顶是涡旋的发源地,在坝后流速梯度较大的区域,紊动强度值和平均涡量值均偏大。     

河道含淹没刚性植物二维涡量场特性

含植物水流的涡量场构成了水生动物生境的物理基础,形成水、物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没刚性植物二维垂直涡量场的分布,得出流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素。植物顶层附近对水流的干扰大,因而流速梯度大;涡量最大值出现在淹没刚性植物顶层以下约30%处;植物顶层处,涡量绝对值大,拟熵大,能量耗散率也高。植物顶层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

导流板对桥墩周围紊动特性的影响

水流通过桥墩在桥墩区域形成复杂的三维流场,会对桥墩底部冲刷和桥区通航产生很大的影响,所以控制桥墩紊流区水流形态十分重要。采用RNGκ-ε紊流模型对桥墩绕流进行三维数值模拟,在墩尾设置不同长度导流板,计算分析墩周围的水流紊动强度值。设置导流板后,墩周围X/D=0~5.3断面的水流最大紊动强度值明显减小,而墩后的紊动强度普遍有减小趋势,且长度不同的导流板对同一墩型的绕流控制作用不同。合适长度的导流板能束窄紊动强度变化值σ0.1的范围,即能减小紊流宽度。     

堆积体对河道流速分布的影响研究

通过水槽实验研究,分析了河流的水流流速分布受堆积体影响的特性,其结果表明:(1)受堆 积体影响,水流流态一般可分为4个区段,即水流的主流区、堆积体上游滞流区、堆积体下游回流区及 堆积体下游主流区和回流区之间的过渡区。(2)堆积体体型对主流流速沿程变化影响很大,一般阻水率 越大,其对主流流速影响幅度越大,影响范围也越大。堆积体上游段,主流流速受堆积体影响流速减 小;堆积球权段,主流流速显著加大,堆积体末端附近,流速达到最大;堆积体下游段,水流逐渐扩散, 主流流速逐渐减小,但主流流速仍较无堆积体情况明显加大。(3)水流主流流速变化与流量之间无确定 相关关系,堆积体对主流流速沿程影响特性完全与堆积体阻水率的变化特性相一致。(4)引入堆积体阻 水率概念,堆积体的阻水率对水流结构的影响起决定性作用,阻水率越大,其对水流结构影响越大。     

基于k-ε紊流模型的后台阶流流动特性研究

后台阶流是几何结构简单而流态复杂的流动现象.采用二维k-ε紊流模型对后台阶水流流动进行数值模拟,并结合PIV系统测得的雷诺数,对Re=500~50 000范围的台阶后定常流动流场数据进行对比分析研究.结果表明流场结构存在稳定的回流区,回流区长度随着Re的增大先急速上升,然后又急速下降,最后缓慢回升直至稳定.断面速度受回流区影响较大,峰值随断面的往下游推移逐渐减小,随Re的增加,断面速度也缓慢减小.压力、紊动能的分布也受到回流区的影响,其中紊动能在低雷诺数情况下受回流区的影响较小.     

排沙漏斗水流紊动特性数值研究

排沙漏斗是一种利用立轴旋涡实现水沙分离的二级排沙设施,用传统的模型试验方法难以揭示其复杂的水力特性。为了探明排沙漏斗内水流的紊动特性,该文采用雷诺应力模型(RSM)和VOF数值方法模拟了排沙漏斗内水气两相流,并将计算结果与试验结果进行了比较,两者吻合较好。计算结果显示,排沙漏斗水流紊动强度和紊动能在排沙底孔和吸气旋涡附近最大,在侧向边壁、底面和悬板等固壁附近以及部分上层水域较大,在远离固壁和水面的区域较小。分析表明,排沙漏斗内二次流和水流分离对水流紊动特性具有显著影响。     

有植被河道的水力特性研究

利用三维超声波多普勒流速仪(ADV)量测有植被时水槽不同测点位置的瞬时流场。分析了测点位置和水深与植被高度比对时均流速分布的影响。试验结果表明植被层上下水流结构复杂,柔性植被的存在使垂线流速降低,所测得的流速分布在植被层顶部附近呈现“<”形状,在植被区域内部流速分布近似为“3”形。分析了植被区水流紊动强度和雷诺应力的垂线分布情况。水流紊动强度和雷诺应力在植被区域的上层相对较大,说明在该处发生着剧烈的质量和动量交换以及很强的剪切作用。     

淹没双丁坝间水流结构特性PIV试验

为探讨淹没双丁坝对坝间水流的影响,采用粒子图像测速(PIV)系统对坝间水平面流场进行了测量,并对坝间水流结构进行了分析。结果表明:丁坝间距与丁坝长度的比值d/B(B为定值)对坝间漩涡中心位置、坝间回流区及涡量分布有着显著影响;d/B越大,坝间"漩涡"中心越接近坝头线;坝间回流区宽度随d/B增大而增大,零速度线基本呈线性关系且其斜率随d/B增大而减小,同时回流区流速也随之发生很大变化;上游丁坝头附近出现最大负涡量而在下游丁坝头附近出现最大正涡量。     

含柔性植被明渠水流水力特性的试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术对含柔性淹没植被明渠水流的水力特性进行试验研究。利用人造水草模拟天然柔性植被,对不同密度、不同流量条件下含柔性植被明渠恒定均匀流场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速、雷诺应力、紊动强度沿垂向分布与曼宁系数的变化情况。试验结果表明:纵向流速的垂向分布可以分为3区,包括自由水面区、中间冠层区和近床面区。自由水面区流速随植被密度增大而增大,中间冠层区与近床面区流速随植被密度增大而减小。雷诺应力与紊动强度的峰值出现在植被冠区顶部附近,并随着植被密度增大而增大。     

含刚性沉水植物水槽二维流场的数值模拟研究

为了研究刚性沉水植物的存在对水流特性的影响,利用ＦＬＵＥＮＴ软件对含刚性沉水植物水槽二 维流场进行了数值模拟。选用ＲＮＧｋ－ε 流模型,采用ＶＯＦ法捕捉自由表面,将植物带区域概化为多孔 介质区域。数值模拟结果与试验结果相比较,两者吻合较好,表明采用多孔介质代替刚性植物进行数值 模拟是可行的。另外还研究了不同流量、不同植物密度条件下流速和紊动强度沿垂线分布规律,研究结 果表明植物顶端附近流速变化最大,紊动能交换最剧烈。     

高含沙圆管流的紊动强度分布

明渠高含沙水流紊动特性的研究比较多，而关于高含沙管流紊动的文献则很少见到。我们在管路试验系统中，用应变式紊动流速仪，观测了管道内高含沙水流紊动强度的大小，沿垂线分布以及流速，含沙量对紊动强度大小和分布的影响，初步探讨了流核区内存在紊动，管轴处紊动紊动强度不小于其周围附近点紊动强度值的机理。