明渠流动条件下单圆墩阻水效应实验研究

该文利用明渠水流的水工模型实验手段探究单圆墩阻水效应空间分布规律及其阻水系数取值新方法。利用高精度超声水位测量系统,采集了墩柱附近特定影响区域内水位过程线,通过分析墩柱周围壅高幅值,验证了阻水效应特性与流态因子之间的新关系。定量分析了墩柱阻水效应的空间影响范围及水位变化的空间分布特征,推求墩柱阻水系数计算的新公式。研究结果可为大尺度河流水动力模拟中桥梁墩柱的概化提供一定参考依据。     

明渠均匀流的摩阻流速及流速分布

在水槽系统上对明渠恒定均匀流进行了系列实验，利用实测流速资料，对明渠均匀流摩阻流速的各种方法（雷诺应力法、对数流速分布法、阻力平衡法等）的计算结果进行了对比，并分析了流速分布。结果表明：（1）利用阻力平衡法计算摩阻流速时应考虑边壁影响；（2）包含尾流函数的对数-尾流公式比单一对数公式可以更好的符合实测数据。用单一对数公式描述垂线流速分布时，应采用较小的Karman常数；（3）现有大量明渠均匀流实测资料中，用常用的Karman常数（x=0．4）时单一对数公式仍可以较好的表示全水深流速分布是因为采用了较大的摩阻流速。     

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。     

基于粒子图像测速技术的明渠圆柱上游行近流特征研究

现有实验测量和数值模拟方法难以准确捕获近水面流动特征,为全面掌握墩柱上游行近来流的内部结构和水面特征,通过明渠圆柱绕流试验,采用粒子图像测速技术对柱体上游的对称垂面进行了测量,获得了行近来流的瞬时二维流场和水面线。在此基础上,对圆柱上游的时均流动和壅水特征进行了研究,得出上游行近来流从水面至床面依次由上升流、近水平流和下降流构成,形成典型的三层结构,其中,上升流厚度随柱体雷诺数增加而变厚,下降流无量纲厚度基本不随柱体雷诺数改变。在靠近柱体的床面附近,边界层与床面分离,分离区内为向上游流动的逆流以及一个马蹄涡和一个次生涡;在靠近柱体的水面附近存在表层逆流以及两个逆向涡。研究结果揭示出边界层分离、表层逆流及柱体本身依次促使行近来流减速,使得沿程水深雍高,壅水末端至圆柱迎水面的水面线符合一元四次函数分布,无量纲壅水长度随着柱体雷诺数的增加而延长。研究成果可作为基于流体体积法等具有自由水面计算能力的明渠墩柱绕流数学模型的验证依据。     

城市行洪河道桥群阻水叠加效应量化研究

针对城市行洪河道桥梁群形成的叠加阻水效应问题,以南京市重要行洪通道秦淮河为例,考虑桥墩不过水边界等因素,建立了秦淮河涉水桥梁群的平面二维水流数学模型,对桥群阻水叠加效应进行量化分析。分析结果表明,河道上游水流受桥梁群阻水影响,水位壅高较为明显,壅水高度随桥墩数量的增加而增大。基于计算结果,推导出了桥梁群壅水高度计算公式,并通过滁河六合城区段桥群壅水叠加影响进行了验证,验证结果良好。同时,给出了桥墩在河道两侧及河道中心的位置影响系数值,阐明了桥群壅水叠加机理;所建立的壅水叠加公式较好地反映了河道桥群的阻水叠加效应,为城市河道桥群壅水叠加影响的量化分析研究提供了科学依据。     

南水北调中线干渠桥墩壅水计算公式的选择

南水北调中线工程沿线布置数百座桥梁,桥墩壅水对渠道的过流能力和渠道的水面线具有一定的影响,因此,准确计算桥墩壅水对于水面线的计算和输水渠道的设计具有十分重要的作用。以典型的圆柱型桥墩为研究对象,采用VOF方法对桥墩周围的紊流场进行了数值模拟,并计算了给定水深、流量和桥墩阻水比等条件下桥墩的壅水大小,通过与一维经验公式计算结果的对比,建议选择无坎宽顶堰公式作为桥墩壅水计算公式。最后,在南水北调中线干线一维数值仿真平台上分析了所有桥梁的壅水效应对渠首水位的影响。     

含收缩段明渠流的三维k-omega SST模拟

基于k-omega SST模型、结合多相流模型及流体体积自由水面捕捉技术对含收缩段的明渠流进行了三维数值模拟。模拟所得的不同位置处的流速纵向分布曲线与实验数据基本吻合,验证了该模型在含收缩段明渠流预测中的适用性。此外,利用该方法对流场的自由水面线、竖直流速分量、压力分布、水平流场等特性进行了分析与总结,并探讨可能的简化研究方法。     

铁路斜交桥对河道行洪的影响及对策

一些桥梁受地形和线路的制约,桥位不得不采取与河渠斜交的穿越方式,造成桥墩较大的阻水作用.采用经验公式计算与数值模拟两种方法对某铁路斜交桥的行洪影响进行分析,研究了不同洪水条件下的壅水高度与范围、桥梁一般冲刷与局部冲刷深度、桥梁对行洪断面的阻水比.研究表明:桥梁设计基本满足要求,建桥后河势变化不大,但行洪断面的阻水比偏大.拟建桥采用与既有桥对孔布置,可以减小双桥对行洪的阻滞影响.提出了疏浚开挖边滩来补偿工程占用河槽行洪面积,经计算分析该方案,可以有效减小阻水比与壅水高度,减轻工程局部冲刷,有利于区域行洪安全.     

瞬变流中MIAB摩阻模型的数值模拟研究

水力瞬变现象是长距离输水系统安全运行时需要考虑的主要问题。由于传统"拟稳态"模型不能准确预测压力波的峰值以及水锤波的衰减过程,因此引入更准确的非恒定摩阻模型模拟瞬变流成为工程安全运行研究的重要内容。本文利用模型试验,通过采用恒定摩阻模型及MIAB摩阻模型进行数值模拟计算,定量分析了两种模型的模拟计算结果与实测压力值的吻合程度,对比分析模型的优劣,提出了通过改进Brunone摩阻系数k的经验公式、现场校正波速和摩阻系数f及研究长距离复杂供水系统的瞬变流动特性,以期进一步提高MIAB摩阻模型模拟计算精度。     

关于桥梁壅水计算中几种经验公式应用的探讨

修建跨河桥梁时,由于河道中桥墩占据了部分过水断面,桥孔压缩水流,使桥位上游水面壅高,形成桥前壅水,根据明渠渐变流原理,壅水水面曲线在向上游延伸过程中存在最大壅水高度ΔZ,桥梁壅水计算就是通过一些经验公式来推求桥前最大壅水高度ΔZ。     

南水北调中线工程桥墩壅水特性研究

南水北调中线总干渠沿线设有阻水的槽墩、桥墩1 145座,合理分析槽墩、桥墩的壅水大小,对于准确复核总干渠水面线、分析渠道输水能力具有十分重要的意义。本文利用Flow3D软件模拟了南水北调中线工程中常见的圆柱型桥墩的壅水特性,计算体型包括单排、双排和三排桥墩,桥墩的阻水比为5.0%~7.14%。分析表明,单排桥墩壅水的数值模拟结果与Yarnell修正公式计算结果相近;多排桥墩联合壅水值随桥墩排数的增加而增加。     

南水北调中线总干渠桥墩壅水影响分析

桥梁建设多在天然河道进行,当桥墩阻水面积占河道过水面积的比例较小时,可以不考虑桥墩壅水影响.南水北调干渠经常高水位运行,流速低,纵坡缓,桥梁壅水可能造成上游交叉建筑物输水能力降低以及渠顶超高不足和安全度的降低等问题.现以某跨渠高速公路桥为例,以数值模拟为手段对桥墩的壅水影响进行分析,认为在缓纵坡渠道上桥墩壅水上游影响长度较大,如跨渠桥梁间距过小,可能引起连锁壅水.桥梁设计时应尽量减小桥墩数量并避免斜交.     

降低桥墩壅水的优化试验研究

桥墩型式对墩前壅水高度影响较大。为优化涉水桥梁工程设计方案,降低桥墩壅水对河道防洪的影响,通过建立宽水槽模型,对不同桥墩型式所引起的墩前壅水高度进行了测试和分析。结果表明,桥墩的最优侧面曲线特征参数b′/L为0.071~0.083;方墩、流线墩和双圆墩3种墩型的优势夹角不同,桥墩轴线与水流夹角小于36°时,流线墩壅水最小,大于36°时双圆墩壅水最小。     

桥墩阻力概化软件在大型涉水桥梁工程中的应用

在大型涉水桥梁的壅水影响数值模拟计算中,由于桥墩尺寸相对较小且数量较多,若通过人工运用经验公式逐一计算每个墩柱的阻力,不仅计算过程繁琐,且极易出错。开发了一套软件平台,对桥墩数量超过400个的港珠澳大桥进行了概化计算。该软件结合建立计算范围内的网格数学模型,提取每个桥墩的边界坐标点数据,分别存放在相应的文件里以供经验公式计算时调用;通过软件的运行,可准确地将每一个桥墩的影响自动概化到离其最近的网格节点上。计算得到的桥墩阻力概化结果与港珠澳大桥的布设情况基本相符,能够提高桥墩概化计算的准确性和高效性。     

河道糙率和桥墩壅水对宽浅河道行洪能力影响的研究

为研究宽浅型河道糙率和桥墩壅水对行洪能力的影响,本研究采用了物理模型试验、数值模拟和经验公式方法分别模拟其水力特性并进行比较分析。通过物理模型试验给出了河道糙率的模拟方法,分别采用4种材料模拟河道护坡:无植被、稀疏植被、稀疏植被中间种植灌木和密集植被。其中,糙率最大的密集植被和糙率最小的无植被护坡条件下各断面水位差均值为0.03 m。结果表明:对于宽浅河道,护坡糙率较大范围的变化对河道行洪能力影响不显著。复杂边界条件和水力条件下桥墩壅水模拟结果表明:二维数学模型比经验公式和一维数学模型能较真实地反映河道边界条件、桥梁长度、桥墩形状对桥墩壅水高度的影响,模拟结果同物理模型试验值较为接近。本研究为宽浅河道安全行洪中糙率评估和桥墩壅水计算提供可靠的参数和依据。     

桥梁阻水水头损失计算方法比较

河道水流经过桥墩时, 由于桥墩的阻碍作用, 将产生一定的水头损失。对于本身水力坡降就不大的平原地区 河道, 桥墩阻水引起的水头损失对河道过水能力的影响是至关重要的。通过对 D cAubuisson 公式、 Yarnell 公式、 Henderson 公式、 铁科院李付军公式和无坎宽顶堰公式等常用桥墩壅水计算公式的分析比较, 结合水工模型试验结 果, 认为 Yarnell 公式、 无坎宽顶堰公式的计算结果可以较好的反映桥墩阻水引起的水头损失。     

桩墩影响下的水动力数值模拟

建立平面二维数值水槽模型,将桩墩作为不透水边界处理,利用三角形加密网格精确模拟桩墩形状,计算分析缓流河道中单排桩墩影响下水位和流速的变化,并探讨了方墩与圆墩对水流变化的影响差异以及糙率与紊动黏性系数对壅水数值的敏感性。研究结果表明:①桩墩引起的水流变化沿纵、横向呈现出不同的分布形式,沿横向呈波状分布。墩身上游主要表现为水位壅高,流速减小;墩身下游则表现为水位跌落,流速在墩间区域增加,而在墩后区域减小。②方墩对水流变化的影响比圆墩大;上游壅水随糙率变化较小,但对紊动黏性系数的变化较为敏感。     

桩墩壅水数值计算方法

利用已有的物理模型试验成果,建立平面二维水动力数值模型,对桩墩的壅水进行计算,探讨几种紊动黏性取值方式对壅水计算的影响。研究结果表明:桩墩壅水的计算值与实测值吻合较好,验证了数学模型的合理性;利用选取常量、控制计算单元Peclet数以及应用Smagorinsky方程等3种紊动黏性取值方式均可以成功地进行壅水计算,其中以Smagorinsky方法最优。     

河道多桥连续壅水分析

在实际工程中，经常遇到河段多桥连续壅水计算问题，本文在单座桥梁壅水计算方法的基础上，给出了一种比较简单实用的关于多桥连续壅水高度的计算方法。对于上游任一断面，当其断面处于下游桥梁的壅水范围之内时，它的壅水高度应该是下游桥梁在这个断面产生的壅水高度之和。黄河府谷段多桥连续壅水的实例计算结果表明，多桥连续壅水高度的计算方法简便易行。