排沙漏斗悬板径向坡度对流场影响的试验研究

为了弄清楚溢流悬板径向坡度改变对排沙漏斗流场的影响,通过物理模型试验方法,利用粒子图像流场测速技术(PIV)对悬板径向坡度分别为0、0.087、0.173、0.259时的排沙漏斗模型三维速度场进行了量测,并结合排沙漏斗工作原理对各工况下的切向速度、径向速度、垂向速度及流线进行了对比分析。结果表明:随着悬板径向坡度增加,漏斗室内旋流强度增大,空气涡面积增大,排沙耗水率降低,泥沙颗粒向室内运动机率增大,淤积在悬板上的可能性减小;悬板坡度对漏斗室内的二次流强度和形成位置影响较大,其中坡度为0.173时二次流最为稳定,坡度为0.259时,无二次流形成,不利于底部泥沙输移至排沙底孔;垂向速度分布结果表明坡度为0.259时过渡区垂直向上流速较少,泥沙落淤悬板或者随流溢出的机会最小,但垂直速度相比切向速度和径向速度而言较小,且过渡区范围很小,对悬板落淤和截沙率的影响可以忽略不计。     

Ⅱ型和H型立柱对排沙漏斗水沙分离性能的影响大流量进水工况下主隧系统水气运动特性

为获取不同立柱体型对排沙漏斗水沙分离性能的影响规律,通过室内试验对不加设立柱、加设Ⅱ型和H型立柱支撑系统的排沙漏斗水沙分离性能进行研究。试验结果表明：无立柱时空气涡贯穿排沙底孔,涡径最大,清水区面积最大,漏斗室内的螺旋流强度最大;加设Ⅱ型立柱后空气涡产生偏移,涡径减小,清水区面积减小,漏斗室内的螺旋流强度减小;H型立柱下空气涡偏移距离最大,涡径最小,清水区面积最小,漏斗室内的螺旋流强度最小。相较于加设H型立柱,Ⅱ型立柱支撑系统下排沙漏斗的总截除率、泥沙排出率、漏斗室内淤积量、排沙耗水率与悬板下方不加设立柱时相近,为保证悬板安全及较高的截除率,可采用Ⅱ型立柱作为支撑体型。     

Ⅱ型和H型立柱对排沙漏斗水沙分离性能的影响

为获取不同立柱体型对排沙漏斗水沙分离性能的影响规律,通过室内试验对不加设立柱、加设Ⅱ型和H型立柱支撑系统的排沙漏斗水沙分离性能进行研究。试验结果表明:无立柱时空气涡贯穿排沙底孔,涡径最大,清水区面积最大,漏斗室内的螺旋流强度最大;加设Ⅱ型立柱后空气涡产生偏移,涡径减小,清水区面积减小,漏斗室内的螺旋流强度减小;H型立柱下空气涡偏移距离最大,涡径最小,清水区面积最小,漏斗室内的螺旋流强度最小。相较于加设H型立柱,Ⅱ型立柱支撑系统下排沙漏斗的总截除率、泥沙排出率、漏斗室内淤积量、排沙耗水率与悬板下方不加设立柱时相近,为保证悬板安全及较高的截除率,可采用Ⅱ型立柱作为支撑体型。     

排沙漏斗流场特性与排沙机理研究

排沙漏斗是一种截沙率高、耗水率小的二级泥沙处理设施。为了进一步探明排沙漏斗的流场特性和排沙机理,该文采用声学多普勒流速仪(ADV)对排沙漏斗立轴螺旋流进行了三维流场测试,采用雷诺应力模型(RSM)和VOF方法数值模拟了排沙漏斗内清水流场,计算的水流时均流速分布与实测结果吻合良好。通过数值模拟方法得到了全面详细的排沙漏斗流场结构信息,并据此分析了排沙漏斗的排沙机理,提出二次流是排沙漏斗能够顺畅高效排沙的关键。     

立柱排布方式对悬沙排沙漏斗水沙分离性能的影响

为了获取立柱的排布方式对排沙漏斗水沙分离性能的影响规律,通过室内试验对进流量、含沙浓度不同时双排立柱并排布置和交错布置的排沙漏斗的水沙分离性能进行研究。结果表明：无立柱时漏斗悬板淤沙波痕峰值、底板淤沙冲沟的曲率和冲深均最大,立柱并排布置时次之,交错布置时各值均最小;与未加设立柱相比,并排布置排沙耗水率最大增加4.01%,交错布置排沙耗水率最大增加4.25%,加设立柱后漏斗室内的切向流速、螺旋流强度和二次流强度及范围均减小,交错布置相对于并排布置削弱更为明显。并排布置的室内淤沙质量比交错布置减少3.10%～4.76%,底孔排沙率增大0.90%～1.23%。工程设计时,考虑到立柱并排布置时的底板淤积量、底孔排沙率、泥沙总截除率和排沙耗水率与不加立柱时较为接近,故可按照并排方式布置立柱。研究成果可为排沙漏斗悬板支撑系统的优化设计提供参考。     

《螺旋流排沙漏斗》新技术的研究与应用

《螺旋流排沙漏斗》是经过多年系列模型试验及原型观测获得成功的。它的第一阶段成果《强螺旋流排沙漏斗》于1990年通过新疆维吾尔族自治区科委组织的国内专家鉴定，成果属国内领先水平。对粒径大于1mm的粗颗粒泥沙排除率可达100％，排沙耗水量平均低于引水量的7％。第二阶段成果《螺旋流排沙漏斗》除具有上述成果的全部性能外，尚可对粒径0．05～1mm的细颗粒泥沙排除率达90％以上，排沙耗水量降至引水量的3％～5％。     

漏斗式全沙排沙工程试验研究及其应用

漏斗式全沙排沙设施是一种排沙耗水量小，截沙率高的泥沙处理技术，并已在工程实际应用中取得了良好的效果。本文通过其清、浑水流场特性分析表明，漏斗室内部水流特性有利于水沙分离和泥沙的排除。     

漏斗式全沙排沙设施模型试验及原型观测

漏工全沙排沙设施是一种排沙耗水量小、截沙率高的泥沙处理技术。有关其清，浑水流场特性试验分析表明，漏斗室内部水流特性有利于水沙分离和泥沙的排除。在工程实际应用中取得了良好的效果，平均耗水量为电站引水流量的２．７１％；粒径为０．２５－０．５０ｍｍ的泥沙排除率为９６．１０％。     

排沙漏斗悬移质泥沙运动数值模拟

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。为了探明排沙漏斗悬移质泥沙运动特征和排沙机理,采用欧拉-拉格朗日方法模拟了排沙漏斗水气沙三相流动,其中水相和气相采用雷诺应力模型(RSM)和VOF方法描述,悬移质泥沙用颗粒轨道模型描述。通过对计算的悬移质含沙量垂向分布与实验结果的对比,验证了数学模型的可靠性。计算结果表明:在漏斗室外侧区域含沙量分布整体上较均匀,在漏斗室内侧区域的近底部存在一个明显的高浓度带。作者认为,上述排沙漏斗悬移质泥沙含沙量分布特征主要是由排沙漏斗内的二次流引起的。     

排沙漏斗三维涡流流场脉动特性研究

本文利用激光多普勒测速仪(LDA)对排沙漏斗三维涡流流场的脉动特性进行了测试研究, 测试结果表明: 排沙漏斗流场的切向紊动强度大于径向及轴向的紊动强度, 中间低速带的紊动强度大于两端自由涡及强迫涡控制区的紊动强度. 紊动切应力的理论分析与测试结果均证明排沙漏斗三维流场是一个各向异性流场. 本文还分析了排沙漏斗脉动特性对输沙过程的影响, 对如何更好地优化排沙漏斗结构提出了看法.     

河床中值粒径对桥墩冲刷坑演化过程的影响

桥墩的局部冲刷导致河床形态变化和桥墩基础埋深减小是桥梁水毁的主要原因。在大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的基础上结合水流运动方程和泥沙运动的动理学理论系统地对桥墩基础处的水流冲刷问题进行全时段全方位的三维数值模拟。得到了桥墩基础处的湍流流场流线图及河床形态变化的高程图。重点研究了水流流速和河床颗粒中值粒径对桥墩周边局部冲刷的影响。结果表明:冲刷坑的深度随着初始流速的增大而增加,且冲刷坑形成速度加快;冲刷坑的深度随着河床颗粒中值粒径的减小而增大,但是当颗粒的中值粒径小到一定程度时,由于泥沙颗粒之间的黏聚力增大导致冲刷坑的深度反而减小。     

细沟水蚀动态过程的稳定性稀土元素示踪研究

本文利用稳定性稀土元素(Rare Earth Element)REE示踪法探讨了坡面水蚀动态过程的试验方法，根据细沟侵蚀沿坡长的产沙特点，给出了元素的施放方法、施放深度和浓度的数学表述及计算方法，并进行了室内细沟侵蚀模拟实验。试验采用3个流量(2、4、8L/min)5种坡度(5°、10°、15°、20°、25°)，3次重复。试验采用8m土槽，分区段施用10种不同的稀土元素进行示踪，每个施放区长0.8m，宽0.1m，不同坡段根据侵蚀特点采用不同的施放深度。给出了根据收集到的侵蚀土壤样本中不同稀土元素的含量及总的土壤侵蚀量计算坡面不同部位的侵蚀产沙量的方法，由试验数据计算了不同水动力条件下的土壤侵蚀量沿细沟的分布，并分析了坡度和流量对坡面侵蚀量随坡长变化的影响。结果表明，REE示踪法可以示踪细沟土壤侵蚀的动态过程，且可保证一定的精度要求。由示踪方法得到的细沟土壤侵蚀量，在一定坡度和流量下，产沙量随着沟长的增加而增加，但增加的幅度越来越小，且渐趋于一个稳定值。侵蚀产沙量随着坡度和流量的增加而增加，但坡度较流量对产沙变化的影响更大。     

白龙江中游泥石流拦砂坝防治效果分析

为研究白龙江中游地区泥石流拦砂坝的防治效果,通过野外调查和实验分析,对该地区泥石流拦砂坝的运行现状以及拦砂坝对泥石流的调控效果进行了分析。结果表明:①该地区部分泥石流沟泥石流防治情况严峻,多条泥石流沟存在拦蓄库容不足、拦砂坝坝体破坏严重等问题;②通过对该地区拦砂坝上游泥石流回淤坡度的调查,拦砂坝有较好的回淤缓坡功能,并建立起该地区泥石流回淤坡度的经验公式,即I=(0.4~0.85)I₀;③通过对泥石流堆积物的颗粒组成进行实验分析,建立泥石流堆积物的平均粒径比、计算重度比来表征拦砂坝对泥石流的调控效果,拦砂坝对泥石流有较好的分选效果,但其拦排临界粒径尚难以准确确定,且其对泥石流堆积物的重度调节作用并不显著。最后,结合该地区拦砂坝出现的一些工程问题,提出了一些防治建议。研究成果可为该地区泥石流治理工程的修建提供一定的参考。     

圆中环沉沙排沙池流速分布规律试验

对一种新型沙水分离装置——圆中环沉沙排沙池进行模型试验研究,对8个径向测试断面的清水流速在径向、垂向和环向的分布进行了测试。试验结果表明:圆中环沉沙排沙池的流速及流速梯度在环向呈不均匀分布,尤以180°径向测试断面流速及流速梯度最大;流速及流速梯度在径向与半径成反比,表层水流流速大小垂向分布与水深成反比;在距离圆心1/2半径以内水流紊动较强,其余半径范围水流紊动弱;中心出水环处流速大小与溢流堰内侧最大相差7.3倍,溢流堰长度是中心出水环的15倍。认为圆中环沉沙排沙池具有较好的沉沙条件的重要原因是溢流堰长度大。     

大表面负荷下斜板体型对沉砂池沉降特性影响试验

通过系统试验分别对布置普通斜板、翼片式斜板和无斜板时的矩形沉砂池在表面负荷为5.6～88 m~3/h·m~2共计12个工况下的沉降特性开展研究。试验分别选用了中值粒径为0.089 mm、不均匀系数为4.01、密度为2.45 t/m~3的天然沙和均一粒径为0.8～1.2 mm、密度为1.35 t/m~3的模型沙(核桃沙)进行试验。结果表明,在表面负荷小于80 m~3/h·m~2时,翼片式斜板沉砂池受颗粒物理性质如密度、粒径和黏性的影响较小,其翼片槽间特有的涡流区和环流区使其截砂率均高于普通斜板和无斜板沉砂池。当表面负荷为48 m~3/h·m~2与56 m~3/h·m~2时,翼片式斜板沉砂池的优势最为突出,截砂率高于其他二者约15%～20%。当表面负荷高于80 m~3/h·m~2时,翼片式斜板沉砂池内的副流流速随主流流速增大,阻碍了颗粒沉降,三种沉砂池的截砂率基本相同。随表面负荷的增大,各个沉砂池的二次悬浮逃逸出的沙量随之增多,在表面负荷小于48 m~3/h·m~2时,普通沉砂池的逃逸量约是普通斜板与翼片式斜板沉砂池的1.5倍。当表面负荷大于56 m~3/h·m~2时,翼片式斜板沉砂池的逃逸量仅约为其他两沉砂池的60%。     

桥梁基桩在含沙水流冲击作用下的冲蚀磨损数值模拟研究

过水桥梁的基桩外露已成为影响桥梁安全性的重要因素,携沙水流会对外露部分的基桩产生冲蚀作用,加速混凝土的破坏,累积到一定程度,会导致桥梁安全性降低,影响桥梁交通的正常运营。为研究携沙水流对基桩的冲蚀磨损规律及其影响因素,利用ANSYS-Workbench建立三维模型,在FLUENT的工作环境下,模拟水沙两相流的流动特性,并求解得出基桩最大冲蚀磨损速率。通过数值模拟,研究了携沙水流的流场特性,并得出了在不同流速、含沙量及粒径下的冲蚀磨损规律。结果表明:流速、含沙量及粒径都对最大冲蚀率有较大影响,其中,最大冲蚀率随流速的增加而增大,并呈现出明显的指数关系;含沙量与最大冲蚀率呈现出正相关关系;最大冲蚀率随粒径的增大呈现出先减少后趋于稳定的趋势。研究成果可以为后续基桩冲蚀磨损预测的工程应用提供相关依据。     

调距桨梢涡精细流场的数值模拟

为验证湍流粘度取为mk/的修正剪切应力输运(SST)湍流模型在螺旋桨梢涡精细流场粘性模拟中的适用性,对驱逐舰母型桨DTMB5168调距桨的梢涡流动进行了模拟与校验。结果显示:0.9R以上径向区域周向平均的轴向、周向和径向速度分量均与试验值吻合很好,但0.9R以下区域的径向速度分量存在一定偏差;0.7R和0.92R处沿周向变化的三个速度分量变化形态均与试验值一致,故可由此来确定梢涡涡核区,但周向和径向速度分量峰值比试验值略小;轴向0.3R距离内梢涡涡核运动轨迹的模拟结果与试验值吻合较好。由此证明了修正的SST湍流模型在螺旋桨梢涡流动模拟中的适用性,还表明由叶梢区的径向、周向和轴向方向以及桨叶近壁面法向、叶截面弦长方向和尾流轴向方向的网格节点密度来局部控制叶梢区流动的模拟效果的可行性。     

桥墩局部冲刷动态模拟及不同截面的冲刷特性

为了获得桥墩局部冲刷随时间的演变过程,探讨不同截面桥墩的冲刷特性,采用计算流体动力学软件FLUENT的自定义函数功能和动网格更新技术,考虑湍流涡增强效应的床面剪应力和坡度影响的临界剪应力,得到床面的输沙率,通过输沙率与床面高程的变化关系实现床面地形随时间的动态变化,并利用泥沙坍塌的调整来克服床面坡度超过泥沙休止角造成的模拟失真及数值不稳定。结果表明:局部冲刷最大深度、冲坑形态及流场结构的模拟结果与试验结果较为吻合;在最大墩宽一致的情况下,流线形桥墩的冲坑深度比圆柱形桥墩降低约45%,比尖角形桥墩降低约40%,冲坑范围也有所下降。