圆柱型灌水器迷宫式流道内部流体流动分析与数值模拟

要想设计出高性能的滴灌灌水器必须对其内部流动机理有一个全面的了解，迷宫式流道狭窄且边界极为复杂，原型试验在技术和经济上都比较困难，常规手段难以满足流场测试要求，基于计算流体动力学理论的数值仿真研究流道内部流体流动问题是一种行之有效的方法。通过对迷宫式流道内部流体流动特性的分析，构建了表征迷宫式流道内部流动的数学物理模型；对所选取的目前中国农业灌溉领域最为典型的三种圆柱型灌水器，借助FLUENT6．1CFD流场软件分析平台实现了流道内部流速分布、涡量分布、紊流强度分布等流动特性的可视化，为新型灌水器流道研制提供一定理论基础。     

三角形迷宫流道滴灌灌水器结构参数及水力特性研究

以滴灌灌水器三角形迷宫流道结构为研究单元,利用均匀设计方法,结合计算流体动力学软件Fluent6．2对流道内部流体的流动进行了数值模拟,通过多元回归计算．获得流道各结构参数与流量系数和流态指数的量化关系。分析这一量化关系表明．流道转角与流量成负相关,与流态指数成正相关;流道宽与流量成正相关,与流态指数成负相关;齿高与流量成负相关,与流态指数成正相关。同时分析了灌水器内部流道的水力性能和流场特性．为三角形迷宫流道滴灌灌水器的研发提供了相应的理论依据。     

三角形迷宫流道滴灌灌水器结构参数及水力特性研究

以滴灌灌水器三角形迷宫流道结构为研究单元,利用均匀设计方法,结合计算流体动力学软件Fluent6.2对流道内部流体的流动进行了数值模拟,通过多元回归计算,获得流道各结构参数与流量系数和流态指数的量化关系。分析这一量化关系表明,流道转角与流量成负相关,与流态指数成正相关;流道宽与流量成正相关,与流态指数成负相关;齿高与流量成负相关,与流态指数成正相关。同时分析了灌水器内部流道的水力性能和流场特性,为三角形迷宫流道滴灌灌水器的研发提供了相应的理论依据。     

双向流滴灌灌水器消能机理PIV试验研究

滴灌灌水器流道内部水流运动特性与其水力性能密切相关。该文以双向流滴灌灌水器为研究对象,利用粒子成像测速技术(PIV, particle image velocimetry),分别在30 kPa和130 kPa进口压力条件下,观测灌水器流道内部水流运动特征,获取水流流速和湍流强度等水流运动的分布特性,据此分析了流道的消能机理。结果表明:流道内正向和反向水流形成了双S型主流流动及漩涡流动,水流流动呈现为紊流状态;灌水器进口压力的增加并未显著改变流道水流运动特征及漩涡的分布位置;在流道分流处、转角处及混掺处水流流速变化较为剧烈,为流道主要消能位置;随着进口压力升高,正向和反向水流在混掺前与混掺后的流速差均显著增加,有利于提高流道对冲、混掺消能效果;反向水流在混掺前与混掺后的流速差均高于正向水流,且随着压力升高,两者的差距显著增加,说明反向水流在混掺消能过程中的作用大于正向水流;流道湍流强度大部分在0.1-0.4之间,紊流程度较高,有利于在流道中消除多余能量,以确保灌水器出流量稳定。研究结果从微观角度揭示了双向流滴灌灌水器在不同进口压力下的消能机理,可与宏观试验及数值模拟相结合,为进一步优化流道结构及提高双向流滴灌灌水器水力性能奠定理论基础。     

有涡和无涡流道迷宫灌水器水力性能比较

分析迷宫灌水器流道内旋涡存在与否的压力流量情况,得出其对灌水器水力性能的影响。以矩形、三角形、梯形3种有涡流道灌水器模型为基础,并进行结构优化,形成相应的3种无涡流道灌水器模型,利用FLUENT软件模拟和分析6种迷宫流道内水流运动情况,得出各种迷宫灌水器的压力流量关系,从而可知流量系数和流态指数。通过分析可知:同等条件下,3种有涡流道灌水器中,三角形灌水器的流量系数最小,但其流态指数最大;优化后的3种无涡流道灌水器中,三角形灌水器的流量系数最小,其流态指数也最小,说明灌水器流道结构优化后,三角形灌水器的流态指数明显降低,其水力性能得到很大提高,故应优先选用三角形无涡流道灌水器。     

复合型渐缩—突扩流道水力性能及其消能效果

设计了一种新型复合型渐缩-突扩流道灌水器,为了研究水力性能与消能效果,以灌水器挡水结构张角,边壁距离和挡水板间距为几何参数,设计了4因素3水平正交试验,同时利用Fluent软件对不同方案下的灌水器进行数值模拟研究,通过对试验结果进行直观分析和方差分析,建立了各结构参数与局部水头损失系数之间的回归模型。结果表明,灌水器流态指数为0.479-0.539,水力性能良好;在15m压力水头下,流道单元内局部水头损失系数为3.220-12.665,消能效果较好,雷诺系数Re为440-2217;在10 m压力水头下临界雷诺数Re995;边壁距离和挡水板间距均显著影响灌水器局部水头损失系数,建立了灌水器结构参数与局部水头损失系数之间的回归模型,回归效果较好。     

迷宫流道断面形状对灌水器水力性能的影响

为研究矩形迷宫流道断面形状对灌水器水力性能的影响,利用软件FLUENT6.1软件对5种流道断面形状不同的矩形迷宫流道内水流运动进行数值模拟,通过模拟得到的灌水器压力～流量关系和灌水器内水流流速分布分析得出：1）流量系数、流态指数均与断面湿周呈正相关,断面湿周越大流量波动性及对压力的敏感程度越大;2）流道断面湿周较小的L1型迷宫灌水器其流态指数小于其它4种,小于0.57,说明该灌水器内水流为紊流,其压力补偿性较高;3）灌水器流道内水流具有重复性;4）流道断面形状对灌水器内水流流速分布不会产生较大影响。因此,在灌水器流道断面为矩形且面积相同的情况下,流道断面为正方形的灌水器的水力性能要优于其它断面形状的灌水器,且流道断面湿周越小,灌水器的压力补偿性越高,系统灌溉均匀度越高。     

基于正交试验的双内齿迷宫灌水器数值模拟

在普通矩形迷宫流道灌水器的竖向流道与横向流道分别加入2个、1个内齿,构成4种内齿相对位置不同的双内齿矩形迷宫流道灌水器,并保持两者最小过流断面一致,以此探求加入内齿前、后迷宫流道灌水器水力性能的优劣,并采用数值模拟及正交试验的方法,选取内齿相对位置、内齿间距、内齿高度为主要因素,选取L_(16)(4~5)正交表得到16组方案,通过方差分析与极差分析的方法,找到影响其水力性能的主要因素与次要因素,最终得到最优方案组合。结果表明:在普通矩形迷宫流道加入内齿后,其消能效果更好,流态指数减小11.18%～18.01%;影响双内齿矩形迷宫流道的3个因素的主次顺序为内齿相对位置、内齿高度、内齿间距;双内齿矩形迷宫流道灌水器的流态指数最小的结构为竖向流道左上侧与右下侧、横向无涡处加入内齿,内齿间距0.5 mm,内齿高0.9 mm,其流态指数为0.500 6。     

滴灌系统片式灌水器内部流体运动特性分析

为明确滴灌系统片式灌水器流道内水流及颗粒物的运动特性,借助两相流模型对灌水器内部水流运动特征和颗粒物输移特性进行计算与分析。研究表明:沿着水流前进的方向,压力呈现均匀降低的阶梯状变化规律,流体流动整体呈现主流区与非主流区的分区运动特征,在流道结构突变处是流道消能的最主要部位,颗粒相速度稍低于水相。灌水器流道内部颗粒物的整体跟随性良好,但灌水器流道近壁面颗粒物的跟随性明显优于中心区,齿尖附近颗粒物的跟随性最差。     

弧形迷宫流道灌水器数值模拟分析

应用计算流体动力学CFD数值软件FLUENT6.3,模拟了滴灌灌水器弧形迷宫流道结构流道内不同压力下流场变化关系,分析不同弧高、齿间参差量结构参数的改变对灌水器水力性能影响,为弧形迷宫流道灌水器的研发提供了一些基础理论依据。     

HYDRAULIC CHARACTERIZATIONS OF TORTUOUS FLOW IN PATH DRIP IRRIGATION EMITTER

1. INTRODUCTION The emitter is a device used to dissipate pressure and to discharge water at a constant rate by dissipating the energy when pressured water flows through its narrow and long internal path structure or micro-orifice. It is the main componen…     

FLOW CHARACTERISTICS IN ENERGY DISSIPATION UNITS OF LABYRINTH PATH IN THE DRIP IRRIGATION EMITTERS WITH DPIV TECHNOLOGY

The energy dissipation mechanism and anti-clogging properties of drip irrigation emitters are closely related to flow characteristics of the fluid in its flow paths,and flow field tests using modern flow visual technologies were carried out by a large number of designers.The Digital Particle ImageVelocimetry(DPIV) system was built for un-disturbed flow tests in the labyrinth path.In this article,the flow field was measured in the flow path section,the structural unit and the local region near sawtooth.Under...     

Swimming behaviour and ascent paths of brook trout in a corrugated culvert

Culverts may restrict fish movements under some hydraulic conditions such as shallow flow depths or high velocities. Although swimming capacity imposes limits to passage performance, behaviour also plays an important role in the ability of fish to overcome velocity barriers. Corrugated metal culverts are characterized by unsteady flow and existence of low‐velocity zones, which can improve passage success. Here, we describe swimming behaviour and ascent paths of 148 wild brook trout in a 1.5‐m section of a corrugated metal culvert located in Raquette Stream, Québec, Canada. Five passage trials were conducted in mid‐August, corresponding to specific mean cross‐sectional flow velocities ranging from 0.30 to 0.63 m/s. Fish were individually introduced to the culvert and their movements recorded with a camera located above the water. Lateral and longitudinal positions were recorded at a rate of 3 Hz in order to identify ascent paths. These positions were related to the distribution of flow depths and velocities in the culvert. Brook trout selected flow velocities from 0.2 to 0.5 m/s during their ascents, which corresponded to the available flow velocities in the culvert at the low‐flow conditions. This however resulted in the use of low‐velocity zones at higher flows, mainly located along the walls of the culvert. Some fish also used the corrugations for sheltering, although the behaviour was marginal and did not occur at the highest flow condition. This study improves knowledge on fish behaviour during culvert ascents, which is an important aspect for developing reliable and accurate estimates of fish passage ability.     

基于RVA法的河流生态基流过程研究

针对我国目前生态需水量研究难以反映河流水文情势自然涨落变化的问题,从河流水文情势的整体角度出发,采用IHA法分析了金沙江上游岗托至巴塘河段的天然水文情势特征,得到了该河段各指标的RVA阈值范围。在总结前人研究的基础上,对计算河流生态基流量的RVA法进行了改进,提出非汛期、汛前期和汛后期采用RVA目标差值的75%推荐河流生态基流量,主汛期采用RVA目标差值的50%推荐河流生态基流量。采用改进的RVA法计算了金沙江上游巴塘断面的生态基流过程,得到巴塘断面各月的生态基流量分别为39.5 m~3/s、42.5 m~3/s、33.0 m~3/s、74.2 m~3/s、124.4m~3/s、259.3 m~3/s、394.0 m~3/s、581.0 m~3/s、493.5 m~3/s、259.7 m~3/s、131.1 m~3/s、71.0 m~3/s,占相应多年月均流量的比例范围为14.0%~32.9%,并与Tennant法的结果进行了对比分析。结果表明,该方法能够更好地反映金沙江上游天然河流水文情势的动态变化特征,可为金沙江上游水电开发生态保护提供技术参考。     

基于地震波解译的 2000 年易贡滑坡 － 碎屑流动力学过程分析

为更好地研究 2000 年易贡滑坡碎屑流动力学过程,开展该次滑坡碎屑流地震波解译工作,以该次滑坡碎屑流的地震波和遥感影像为基础,通过快速傅里叶变化和人工识别等手段,解译得出该次滑坡碎屑流地震波信号参数、动力学过程及其特征参数。研究结果表明: (1)该滑坡 － 碎屑流的傅里叶主频率和主功率为 2. 0 Hz,最大峰值加速度为 0. 45g,最大地震动速度为 0. 786 m /s,最大地震动振幅 64 cm。(2)该滑坡 － 碎屑流的动力学过程分为崩滑区裂隙贯通崩滑过程,滑坡转化为碎屑流过程和碎屑流运动堆积过程。崩滑区裂隙贯通崩滑过程中地震波振幅逐渐增大,频率逐渐升高。受强降雨和沟道源头圈闭地形的影响,滑坡转化为碎屑流过程中振幅达到最高值,频率有所减小。受沟道弯曲程度的影响,碎屑流运动堆积过程中振幅呈现波状变化趋势,频率呈逐渐减小的趋势。(3)该滑坡碎屑流的流速过程呈现出一个总体上凸、但存在激烈振动的过程。滑坡 － 碎屑流平均速度为 30. 12m /s,滑坡 － 碎屑流在起点 O － A 段的平均速度为 89. 89 m /s,在 A － B 段平均速度最大,为 120. 98m /s,在出山口 E 点的平均速度为 48. 7 m /s。研究成果为进一步研究巨型滑坡 － 碎屑流动力学过程和运动机理提供参考。     

Influence of artificial ecological floating beds on river hydraulic characteristics

The artificial ecological floating bed is widely used in rivers and lakes to repair and purify polluted water. However, the water flow pattern and the water level distribution are significantly changed by the floating beds, and the influence on the water flow is different from that of aquatic plants. In this paper, based on the continuous porous media model, a moveable two-layer combination model is built to describe the floating bed. The influences of the floating beds on the water flow characteristics are studied by numerical simulations and experiments using an experimental water channel. The variations of the water level distribution are discussed under conditions of different flow velocities（ v= 0.1 m/s, 0.2 m/s, 0.30 m/s, 0.4 m/s）, floating bed coverage rates（20%, 40%, 60%） and arrangement positions away from the channel wall（ D= 0 m, 0.1 m, 0.2 m）. The results indicate that the flow velocity increases under the floating beds, and the water level rises significantly under high flow velocity conditions in the upstream region and the floating bed region. In addition, the average rising water level value（ARWLV） increases significantly with the increase of the floating bed coverage rate, and the arrangement position of floating beds in the river can also greatly influence the water level distribution under a high-flow velocity condition（v ？0.2 m /s）.     

水跃对水平管弹状流压力降的影响

本文对气、液两相分别应用一维形式的质量守恒方程和动量守恒方程。假设各流动物理量在水跃面上具有第一类间断点,推导出水平管弹状流中水跃压降的表达式。对以水和空气为流动介质,内径为２５．８ｍ,５１,２ｍｍ和３００ｍｍ的三种管道,在液相表观流速为１．１１ｍ／ｓ,气相表观流速为２￣１０ｍ／ｓ的范围内,计算出了水跃压降的大小随Ｌｏｃｋｈｒｔ－Ｍａｒｔｉｎｅｌｌｉ参数的变化关系,分析了水跃压降对水平管弹状流摩擦     

泄洪洞双扩型挑流消能水力特性数值计算

以某工程泄洪洞双扩型挑流鼻坎消能防冲为研究对象,基于三维不可压缩流体k-ε紊流模型,采用FLOW-3D软件对双扩型挑流鼻坎进行三维数值模拟分析,分析了下游河道流速、水舌是否直接冲击河岸,探讨了原始方案与2个优化方案的挑流鼻坎体型对河床的冲击及其水力特性,并针对不同工况时计算结果,给出了该挑流鼻坎的最佳体型,以满足消能和泄流的要求。结果表明:经多方案数值计算的对比,相比于原方案,反弧半径从64 m增加到128 m,反弧段长度增加10 m,边墙扩散宽度收窄0.4 m,挑角从43.4 °减小到25 °;调整后低水位低流量工况下水舌砸岸情况明显改善;水舌挑距从91.2 m增加到118.8 m,远离岸坡;河道左右岸最大流速分别下降0.7 m/s和1 m/s,且回流减小。研究成果可为挑流消能下游流态的改善提供一定的参考。     

大樟溪入汇对乌龙江洪水水动力影响研究

为研究大樟溪入汇对乌龙江洪水水动力的影响,采用二维数学模型计算分析了不同洪水工况下乌龙江河道流量、水位及流速分布特征。结果表明:50 a、100 a、200 a一遇工况下,乌龙江流量分别减少125 m~3/s、167 m~3/s、190 m~3/s,相应分流比减少0.38%、0.47%、0.50%;乌龙江进口至峡兜河段洪水位壅高幅度分别为0.10～0.28 m、0.10～0.35 m、0.10～0.42 m,大樟溪入汇对入汇口上游乌龙江河道水位的影响更大;入汇口上游河段流速减小幅度基本在0.10 m/s以下,其中由支干流水流相冲引发的水体滞留区流速最大分别减小0.26 m/s、0.26 m/s、0.31 m/s,入汇口下游左侧主河槽部分流速增幅基本在0.10 m/s以上、右侧支汊除上段流速增幅达0.10 m/s以上以外其余区域流速增幅均小于0.10 m/s,入汇口下游近右岸侧回流区流速最大分别减小0.20 m/s、0.20 m/s、0.20 m/s,大樟溪入汇对入汇口下游乌龙江河道流速的影响更大。     

基于基流比例法的洋河干流生态基流估算

为了更好地反映高频率取用水影响下北方季节性河流的生态基流量需求,采用细化到月尺度的基流比例法,分析计算了洋河1956—2015年的年尺度及月尺度生态基流量以及2015年的日生态基流保障程度。结果表明:丰水年、平水年、枯水年和特枯年的平均生态基流分别为3.64 m3/s、2.70m3/s、2.00 m3/s和1.31 m3/s;逐年生态基流持续减少,由1980年前的5 m3/s左右锐减到近十年的1.5 m3/s左右。不同年型基流量的逐月分布情况存在一定差异性,特别在特枯年1月、7月、8月及12月生态基流并不能满足至少保留10%多年平均径流量的生态需求,并出现非汛期生态基流最大,汛期生态基流反而最小的异常现象。2015年,洋河干流的日生态基流保障率仅为51%。不同年型及不同时间尺度的计算结果均阐释了洋河生态环境明显退化的趋势和严峻的健康形势,而且月尺度结果更详尽、更能映射取用水破坏河流生态的关键性和显著性。因此,建议分析河流生态需水时应区分河流丰枯状况,并尽可能地细化时间尺度。