水力系统模型对水电站过渡过程影响研究

根据有压管道的非恒定流方程建立了压力管道出流和人流两个断面的流量-水头压力的传递函数矩阵，推出了有压引水系统的弹性水击方程和刚性水击方程，同时还导出了水轮机的线性模型和非线性模型。基于压力管道和水轮机的模型建立了水力系统模型，该模型可以用于研究水力系统之间水力量的关系及对电站过渡过程的影响。最后对水电站几种过渡过程进行了仿真，比较了水力系统模型对过渡过程的影响，并对结果进行了分析。     

管道充水水力瞬变模型相似律

管道充水过程是一种非常复杂的水力瞬变过程,水流将经历从无压流变成有压流的流态转换。本文通过分析管道水击与无压非恒定流的模型相似律,证明只要满足管道水击模型相似律,则管道无压非恒定流模型相似律自然满足。在此基础上,对于依靠重力自流充水的管道系统,给出了管道充水模型的相似律、设计方法和实例。实例表明,当管道沿线合理地设置了通气孔时,管道充水的自由液面流动水面气体压力、密度变化非常小,可以视为无压流动,并且当通气孔内风速小于100m/s时,通气孔内气体压强、密度变化微小,可按不可压缩气体考虑。     

设置保水堰管涵输水系统的水力瞬变数值仿真

为研究大型调水工程的水力瞬变过程，采用明渠非恒定流方程及Preissiman方法模拟无压管涵非恒定流、有压管涵水击和明满交替流，提出了设置保水堰的长距离管涵输水系统的水力学仿真模型。所建立的数值模型可模拟包括管涵明满交替和保水堰跌水等复杂的水流现象。数值仿真结果表明，在检修闸门和下游管涵之间设置保水堰，可以调节输水管道内的压力，避免紧急启闭时发生液柱分离以及检修闸门突然关闭时因明满流交替而产生强烈的冲击水压。     

长输水管道充水的气液两相流数值模拟

基于缓慢充水过程中管道内气液两相流的流态及其特性,在一系列合理假定的基础上,推导建立了描述充水过程的气液两相流控制方程,给出模型的求解方法和计算流程。采用南水北调工程北京西四环暗涵充水试验数据对模型进行验证,结果表明,数值模型可用于模拟"V"形复杂管道系统缓慢充水过程中管内水流和通气孔气流的两相变化过程。研究成果对长距离输水工程中通气孔、排气阀等调压设施的设计、选型,及后期管道的安全运行、维护管理等具有重要意义。     

有压管道充水过程水力特性三维数值模拟

运用Fluent软件建立三维模型,对某调水工程中的一段有压管道充水过程的水力特性进行三维数值模拟计算,采用PISO算法分析了管道充水过程中气体压力、水力要素及两相流流态变化情况。结果表明:充水流量的大小会导致管内气体压力的强烈变化;气体压力变化又会影响进口流速。在水体流到管道后部管壁之前,流线均匀,流态较好;之后气液两相彼此相间,流线错综复杂,流态紊乱,湍流能量较强。建议以"小流量充水原则"对类似输水管道进行试充水操作。     

抽水蓄能电站过渡过程数值仿真研究

根据有压管道非恒定流数学模型和特征线法,对某抽水蓄能电站3、4号机组双机甩负荷过渡过程进行了研究,将计算结果与试验实测数据进行了对比,证实了数值仿真的可性性;对机组水泵工况正常运行时突然断电的特殊过渡过程进行模拟,计算出导叶不同有效关闭时间下机组蜗壳末端动水压力等关键数据,据此分析出导叶最佳关闭时间。     

明渠结合有压管调水系统的水力瞬变计算

研究了明渠结合有压管调水系统水力瞬变的数值模拟，采用明渠非恒定流基本方程同时描述明渠的非恒定流和管道的有压汉，对有压流动采用了窄缝法求解，此外，研究了用非恒定流计算方法求解恒定流动，并提出了保证数值计算收敛的措施和方法，作为应用，模拟计算了正在修建的东深供水改造工程的恒定流和水力瞬为流。     

管道水锤方程的Crank-Nicolson离散格式及其工程应用

为了模拟输水管道的水力过渡过程,建立了一种新型的有压管水力计算模型。采用有限体积法对一维有压管道水锤方程在空间和时间上进行积分,同时应用时间中心差分的Crank-Nicolson隐式格式对偏微分项进行处理,得到具有二阶精度且无条件稳定的水锤方程离散格式,并运用带有解析解的算例验证方法的准确性。通过模拟北京市南水北调惠南庄泵站开、关过程,可以提前预测出现的压力波动,及早采取应对措施,降低有害水锤出现的概率,减少压力波动带来的不利影响,使瞬变状态安全过渡到正常运行状态。结果表明此方法具有良好的工程应用性。     

石家庄市引岗黄二期工程管道水击压力数值计算

在阀门关闭或开启的过程中，对有压管道的任一端面而言，水流运动要素随时间发生变化，形成非恒定流。这种管道阀门的突然关闭或开启，引起流速急剧变化，同时引起压强突然增加或降低。阐述了计算水击压力的基本方程及基于特征线的数值解法，并计算了引岗黄二期工程管道的水击发生变化过程。     

长距离有压输水管道充水过程的研究

为研究长距离有压管道充水过程并保证其运行中的安全,针对长距离有压管道的特点,对其充水过程,采取分段处理、依次充水的策略。对于每一段管道,闸门处采用宽顶堰型闸孔出流形式,结合空气阀的排气性质,运用气体状态方程,按小流量充水原则建立数学模型。在不同充水流量和不同空气阀间距下,计算管道内各特征点气体压强变化。计算表明充水流量越大,空气阀间距越长,特征点的气体压强越大,管道越危险。计算结果可为长距离输水管道充水过程的安全评估提供科学依据。     

管道充水过程气液两相流动力学特性分析

管道充水过程涉及复杂的气液两相瞬变过程,合理分析、评价其两相动力学特性对工程的优化设计、安全运行,以及数值模拟研究具有重要意义。基于量纲分析和相似理论,建立了充水过程的气相模型相似律,认为通气孔排气过程的动力相似律可近似套用重力相似律,据此推导出了管内滞留气囊原、模型的几何比尺关系。将建立的气相模型相似律应用于南水北调北京段西四环暗涵通气孔水工模型试验,分析了充水全过程中两相流各动力学测量参数,得出暗涵合理的充水流量。最后采用定量和定性分析相结合的方法,对管道中滞留气囊对输水能力的影响进行了评价。     

基于VOF方法的尾水隧洞过渡过程明满流水力特性研究

针对尾水隧洞结合导流隧洞布置时过渡过程中的明满流问题,采用VOF气液两相流模型对尾水系统的三维流场进行计算和分析。计算了尾水隧洞过渡过程中满流至明流和明流至满流两种典型工况,通过模型试验中尾水隧洞监测点的数据验证了数值模拟的可靠性和准确性。在此基础上,对明满流的水力特性进行了深入的分析和研究。结果表明:尾水隧洞发生明满流时,洞底监测点的压力变化幅度较大且持续时间较长;尾水隧洞通气孔的风速正负和水位的升降有关,甩负荷和增负荷两种工况下,出气风速均大于进气风速。利用VOF方法捕捉到了尾水隧洞的自由液面变化过程,验证了通气孔对减缓明满流的作用,并通过对不同直径的通气孔作用效果进行比较,证明选择直径2 m的通气孔较为合适。     

并联输水箱涵检修操作过程中的水力仿真及瞬变控制

长距离输水箱涵在检修操作过程中常会出现剧烈的水力皮动,检修井后接的箱涵往往出现局部脱空的情况.本文通过建立长距离并联输水箱涵单孔检修的非恒定流数学模型,对检修操作过程中的水力过渡过程进行了模拟.在对检修操作时通过检修闸的流量过程线进行分析的基础上,对检修闸分两段关闭的操作方式进行了优化.并针对工程的实际条件,提出通过在检修井后设置补水孔,利用非检修箱涵向检修箱涵补水,对并联输水箱涵单孔检修所引发的瞬变流进行控制,最后在水力仿真的基础上对补水孔的面积进行了优化.     

城市排水管网明满交替非恒定流数学模型的研究

该文针对城市排水管网系统存在的明满流共存的计算难点,从一维水流的圣维南方程组的物理意义入手,推导了适用于有压管流的方程组表达形式,提出了当量宽度的概念和计算方法,修正了Preissmann窄缝假定方法中的窄缝宽度公式,将明渠和有压管道两种情况下的方程组写成统一的形式,实现了对明满过渡流的有效数值模拟。通过数学模拟,与经验数据和SWMM模型的对比验证,揭示了当量宽度法的合理性、可行性及其实际应用价值。     

应用PIV研究带自由表面的后向台阶流流动特性

利用粒子图像测速(PIV)技术,对Re在450~4490之间的16种工况下的二维后向台阶定常流动的流场进行观测,并与文献资料的结果和数值模拟的结果进行比较,得到在此Re范围内的台阶后再附着长度Xr随Re变化的规律,以及台阶后流速分布和水面线位置等特性,对实验过程中所出现的粒子跟随性问题和存在自由表面的问题进行了讨论。     

预埋式注灌装置充水过程水力特性数值模拟

为了解预埋式注灌装置对土体局部冲刷的原因,采用k-epsilon Realizable湍流模型和VOF多相流模型相结合的方法对在进口压强P=13.8 kPa这一物理试验工况条件下预埋式注灌装置充水过程中的水气二相瞬态流动进行数值模拟,模拟结果表明:在该工况条件下,0～0.9 s时段预埋式注灌装置出水流道内的水流为瞬变流,出水流道内压强大小随时间产生剧烈波动。各监测点的瞬时压强均大于进口压强,最大压强值是进口压强的3.27倍。出水孔流量变化规律与压强随时间变化规律一致,压强峰值对应瞬时流量峰值,为充水过程结束后恒定流出流量的1.66倍。充水过程中出水流道内反复出现的极端压强使孔口出流流量瞬时陡增,造成出水孔周围的局部土体严重冲刷。研究成果可为优化预埋式注灌装置结构体型,减少出流对果树根区土体冲刷提供指导,对预埋式注灌装置在干旱区节水灌溉领域进一步推广提供技术支撑。     

万家寨引水工程北干线有压倒虹吸管道充水过程研究

为了充分发挥万家寨引水工程北干线在长距离输水管路的潜在效益,基于北干线有压的1#、2#倒虹吸PCCP管道工程,以1#倒虹吸朔州在线调流阀前管道充水过程为例,分析研究了考虑空气阀作用工况下可能产生的水击压力以及不同的充水流量下1#倒虹吸沿程控制点的充水时间。研究成果为万家寨引水工程北干线充水过程研究提供了理论基础。     

二维非定常水跃湍流现象的数值模拟

通过求解时均N-S方程及K-ε湍流模型,数值模拟了典型水跃湍流由静止到最终稳定的全过程,采用VOF模型跟踪自由表面的变化.本文给出了水跃现象在不同时刻自由表面的变化情况,主要对水跃过程中自由表面的形状、内部流场结构、速度矢量场及压力场分布进行了分析.结果表明,VOF模型能够有效地描述水跃这类复杂自由表面流道的湍流特性,...     

Bridge pier scour under pressure flow conditions

The probability of pressurized flow conditions occurring in existing bridges is forecast to increase due to possible changes in extreme precipitation, storm surges, and flooding predicted under climate change scenarios. The presence of a pressure flow is generally associated with scouring processes in proximity to the bridge. Scouring can also occur around bridge piers, possibly causing infrastructure failure. Although there is a vast literature on bridge pier scour and pressure flow scour, only a few studies have investigated their combined effect. This study will provide a new overview of the main features of bridge pier scour under pressurized flow conditions, based on laboratory experiences. Special focus is placed on the analysis of the flow features under pressure and free surface conditions and to the temporal evolution of the scour. A comparison with existing literature data is also conducted. The results highlight the nonlinear nature of scour processes and the need to consider pressurized flow conditions during structural design, as the interaction between pressure flow and the bridge pier strongly influences scour features and leads to scour depths much greater than the sum of the individual scours created only by pressure flow or pier presence.