Y型明渠交汇水流数值计算

针对Y型明渠交汇口的水流特性,应用水深平均-雷诺应力模型,采用交错网格有限体积法离散控制方程以及SIMPLE算法,求解交汇水流的水深-速度场.数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好,并据此分析了交汇口附近汇流区的雷诺正应力和剪切应力分布.     

弯曲型交汇河口三维数值模拟研究

弯曲型主渠交汇是天然河流的主要交汇形式，对河床演变和水运发展产生重要影响，为了研究弯曲型交汇河口的水力特性，首先通过实验值与模拟值进行对比进行模型验证，然后通过三维数值模拟研究了流量比为０．２５０、０．４１７、０．７５０时，支渠分别交汇于１２０°弯曲主渠弯顶凹岸和凸岸的交汇口附近的水流特性，从而为进一步研究弯曲型交汇河口的动床水流创造条件。通过研究表明:相同流量比的情况下，凸岸交汇时，分离区大，凹岸交汇时，分离区小；流量比越小，上游雍水越高，交汇口下游最低水位越低；相同流量比，凸岸交汇时上游雍水大于凹岸交汇，下游最低水位低于凹岸交汇，上下游水位差更大。     

明渠交汇口三维水力特性试验研究

支流汇入主流后，在交汇口下游附近形成复杂的流动现象，对于确定渠道有效过流断面、泥沙及含有物质输移及淤积、渠底及边壁冲刷等产生重要影响。本文目的在于采用试验手段探索干支渠交汇口的三维流动结构。在一个矩形断面且等宽、45°交汇的半封闭自循环水槽中，应用五孔毕托球对明渠交汇口三维流动特性进行了试验研究。试验结果表明，对于给定交汇口形状及尺寸，分离区形状基本保持不变，尺寸随主支渠流量比变化并具有较好的相关关系；在和主渠轴线正交的横断面上交汇水流存在横向分速，水面附近横向分速指向交汇口对侧固壁，临底附近横向分速指向交汇口一侧。对于流量比较大的汇流流动，断面环流是交汇口水流三维流动的一个重要特征。     

水流交汇区的水动力学特性数值模拟

为开展水流交汇区污染物浓度分布研究,进行水流交汇区水动力学特性的数值模拟,建立适用于水流交汇区的水气两相流数学模型。模型采用Weber试验数据进行验证,验证结果表明模型模拟的自由水面、流场与试验结果吻合较好。针对交汇区浓度分布试验的研究需要,模拟分析了不同交汇角、流量比和动量比对交汇区水动力学特性的影响。研究结果表明:分离区的范围随交汇角、流量比和动量比的减小而逐渐缩小直至分离区消失,交汇角、流量比和动量比越小,交汇口上游水位的壅高及分离区内水位的下降程度越不明显。     

明渠交汇流分离区形态及二次流强度分析

采用基于雷诺应力模型与体积函数法的等宽明渠交汇流三维数值模型,对7种交汇角和3种流量比的21种组合工况进行了模拟计算;采用基于主流向流速的等值线法定义分离区,对分离区尺度及其三维形态进行了分析,并根据断面涡量值的计算结果对交汇口下游二次流强度沿程分布规律进行了归纳总结。结果表明:当流量比增大或交汇角减小时,分离区的水平尺寸变小,平面形态变狭长;分离区域平均水深随着流量比或交汇角的增大而降低;交汇口下游二次流强度随着流量比的增大而逐渐减弱;在交汇口附近二次流强度受交汇角影响较大,沿主流方向交汇角影响逐渐降低。     

明渠交汇水流的螺旋度分析

基于物理模型试验的实测资料,通过引入螺旋度详细分析了"Y"型明渠交汇口的螺旋流分布情况,定量地反映出螺旋流强度沿水流方向的变化规律.在汇流比0.35、0.6、0.8共3种工况下,选取4个典型断面进行螺旋度的对比分析,结果表明:"Y"型明渠交汇水流自交汇口向下游同时存在顺时针和逆时针螺旋流,以顺时针螺旋流占据主导;沿水流方向,螺旋流强度减弱;随着汇流比的不同,螺旋度值和正负值中心呈现出不同的变化规律.     

明渠弯道交汇口水动力特性数值模拟

为研究不同宽深比和径宽比对明渠弯道交汇口水动力特性的影响规律,利用体积函数法(VOF)追踪自由表面,采用RNG k-ε模型封闭控制方程,建立明渠弯道交汇水流三维数值模型对3种宽深比和3种径宽比的5种组合工况进行了模拟,分析了交汇口附近的水面形态、流速分布、断面环流和分离区形态等特征。结果表明：随着宽深比的增大或径宽比的减小,交汇口附近水面跌落程度减弱;与径宽比相比,宽深比对弯道交汇口以及下游区域内流速分布的不均匀性影响较大,宽深比增大,纵向流速变幅增大,流速分布更加不均匀,水流偏转效应增强;宽深比或径宽比减小导致弯道处环流强度增大;宽深比或径宽比增大,弯道处回流结构增强,分离区尺寸增大,水平方向上形态更加狭长。     

复式断面河道“Y”型交汇河口水流水力特性

通过制作交汇角为90°的复式断面河道“Y”型交汇河口模型,利用三维声学多普勒流速仪(ADV)和测针获取流速及水位数据,对支流河口处的水流流态包括水面形态、水流流速和水流分区进行分析。结果表明复式断面河道交汇口处流场具有很强的紊动特性,其中分离区问题是航道整治和有关环境部门应重视的部位。     

带消力池的交汇泄洪洞水力特性数值模拟

为探究支洞设置消力池时主、支洞交汇区域水力特性,采用RNG k-ε紊流模型结合VOF方法对某工程交汇泄洪洞水流进行了三维数值模拟。结果表明,交汇区域主洞右边墙处水深先增加后减小,左边墙处先减小后增加,下泄较长距离后横向水位趋于一致;交汇口侧下游附近最大负压随交汇角增大而增大;交汇角减小时,分离区最低水位位置向主洞下游移动,交汇区底板最大压强也随之减小,在交汇角为30°时压强值最小为1580 Pa;各交汇角度时,主、支洞水流均未出现拍顶现象,洞顶余幅满足要求。与未设置消力池时对比,发现出坎水流水体流速减小,对主洞主流的冲击减弱;将部分结果与模型试验数据进行对比,吻合良好。     

交汇角对明渠交汇口污染物输运特性影响的数值模拟分析

针对等宽矩形断面明渠交汇口建立三维两相流水动力-污染物耦合数学模型,将污染物视作保守物质,不考虑其降解作用。该耦合模型以雷诺应力模型为基础,定量研究不同交汇角工况下交汇口的分离区几何特性及污染物输运规律。计算结果表明：交汇口分离区几何形状、污染物分布特性均存在明显的三维特征,且受交汇角影响;交汇角较大时分离区的几何对称性更强,不同交汇角下断面环流的位置不同,污染物的分布也不同,污染带最大宽度、混合界面宽度均随交汇角的增大而增大;分离区及其上游污染物混合速率随交汇角的增大而加快,在流速恢复区及其下游,混合速率基本不受交汇角影响,其沿程变化符合指数函数关系。     

THREE-DIMENSIONAL SIMULATION FOR EFFECTS OF BED DISCORDANCE ON FLOW DYNAMICS AT Y-SHAPED OPEN CHANNEL CONFLUENCES

Channel confluences are universally present in nature. They can be divided into two types:asymmetrical river confluences and symmetric river confluences. The latter is also called as the Y-shaped confluences. Most of previous work has paid more attention to the asymmetrical river confluences, but few studies have been conducted on the Y-shaped confluences. In this article, the effects of bed discordance on the flow patterns at"Y"shaped open-channel confluences were studied by using a 3-D numerical simulation. It is proved that the model can undertake quantitative assessment of the flow at confluences. The results indicate that there are a lot of differences between the Y-shaped confluence and asymmetrical confluence. The discordant bed height plays an important role at the Y-shaped junction.     

SIMULATION OF OIL-WATER TWO PHASE FLOW AND SEPARATION BEHAVIORS IN COMBINED T JUNCTIONS

The combined T junctions used for the oil-water separation have the advantages of compactness in structure,consistency in effects and economy in cost.The mixture turbulence model and the Eulerian multi-fluid model are used to simulate the flow and phase distribution in the combined T junctions.The effects of structural parameters such as the branched pipe interval and height on the flow distribution and the separation behaviors are studied.The results show that the combined T junctions under fixed inlet and outlet boundary conditions form a single hydraulic equilibrium system in which the fluid energy distributes freely till a balance is achieved.The split-flow promotes the separation of the immiscible oil and the water.The separation efficiency increases with the increase of the branched pipe interval and changes slightly with the increase of the branched pipe height.The structural change of the combined T junctions may change the flow direction in the branched pipes.Simulation results can provide some guidance for the design of the combined T junctions as one kind of oil-water separator.     

入汇角为30°时交汇区水流结构试验研究

 通过水槽试验，应用声速多普勒测速仪（ADV），研究了入汇角为30°时，支流斜接主流交汇区及其附近的三维水流结构，获得了不同主支汇流比下的三维流场及其脉动特性。试验表明：在交汇区三维流场中，产生了回流分离区，其中并伴随环流结构，大大改变了单一明渠中的流速分布及脉动特性。在入汇口下游主流右侧（入汇口一侧）水流脉动强度在z/h＝0.2处易出现极大值，其形成机理还有待验证。     

“Y”型汇流区水流结构试验研究

在天然水系和城市排水系统中存在许多干支流交汇,在汇流区水流结构紊乱,严重制约着该区域水沙运动及河床调整,进而影响岸坡稳定及航道水流条件,并且污染物也容易在该区域滞留。鉴于此,通过概化模型试验研究了"Y"型汇流区的水流结构,再运用Tecplot等软件对试验数据作可视化处理。结果表明:汇流区三维流速图存有两个高速区和一个中间低速区;随汇流比增大,支流侧高流速区范围增大,干流侧高速区范围相应减小,同时水流动力轴线汇流点往下游移动。