有闸墩的溢流坝过坝水流数学模型

一、问题的提出 有闸墩的溢流坝过坝水流为三维流动问题。目前,对此三维流动问题的数值计算文献还不多见。原因一是建立在流函数基础上求解二维溢流问题的成功的方法已不适用于三维,同时,三维问题的可变域变分原理也难以找到,而合理的自由表面迭代收敛格式的建立更为困难;其次,对三维问题,计算区域增大,计算工作量和计算费用成倍地增加。这就导致三维过坝水流的数值计算较为困难。     

底流消能雾化的计算

本文系统地研究了底流消能水流雾化的物理过程和计算方法。得到了以下三方面的成果:(1)建议了底流消能水流雾化的物理模式;(2)提出了坝面溢流自由掺气和水跃区雾源量的计算模式;(3)提出了底流消能雾化流影响范围的计算方法。     

一种新的三维孔口水流数值解法

本文提出了一种新的三维孔口水流数值解法，在势流假设下，通过调和变换，将具有复杂边界形状的物理空间（ｘ，ｙ，ｚ），转换到规则空间（ξ，η，β）上，用显式迭代方法解出势函数，进而可求出三维流场的流速分布、压力分布、自由表面位置和泄流量．这种解法不但解决了三维求解中遇到的网格结点布置的困难，而且占用计算机内存少，可在微机上实现．算例表明，该算法有很好的收敛性，计算结果与试验值较好地吻合．     

三维水流数值模拟

本文针对三维水流特性，引入通度概念处理不规则计算边界，用ＶＯＦ法追踪自由表面，采用修正的Ｋ－ε模型封闭Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程，分别计算了溢流坝水流及消力池中水跃．计算结果较好地与实验结果符合．     

三峡电站流量变率对两坝间通航水流影响的三维计算分析

三峡至葛洲坝两坝间航道曲折多变、水流条件复杂,三峡电站在泄洪和日调节时产生的非恒定流,使得两坝间的航行条件更为复杂。通过建立两坝间通航水流三维数学模型,针对电站机组开启过程下泄流量变率产生的非恒定流对两坝间河段通航水流条件的影响,开展了计算分析研究。计算分析了三峡电站机组不同开启时间和不同开启流量情况对典型河段水面比降、表面流速产生的影响及其变化规律。研究结果表明:机组开启时间变化情况下,通航最困难河段水面比降增幅随机组开启时间缩短而加大,但最大表面流速线性增大;机组开启流量变化情况下,水面比降和最大表面流速随下泄流量线性增大。     

多孔溢洪道泄流三维数值模拟

为了充分体现闸墩对过坝水流的影响，采用有限体积法对含多个孔和多个闸墩的溢洪道进行了水流的三维数值模拟，采用k-ε紊流模型，利用VOF方法处理自由水面，给出了泄流能力、水面线和压力分布。数值模拟结果与模型试验结果对比表明，使用的模型能精确的模拟溢洪道的过坝水流。计算发现，溢洪道不同孔由于受闸墩、边墩等的影响，过坝水流的水面线、坝面压力有着一定的差异，从而为溢洪道的水力设计提供可靠的设计依据。     

有限单元法计算低堰水流

为了计算低堰水流,本文基于有限单元法,提出了一种求解具有未知能头的过坝水流迭代计算方法。 根据自由表面能量极值条件,不但可以确定未知能头,而且可以确定缓流向急流过渡的临界点位置,从而可以实现和自由表面同步迭代求解。 算例表明,这种解法有较好的收敛性,不但适用于低堰水流,也适用于高坝水流。主要计算结果与试验基本吻合。     

中间渠道内非恒定流数值模拟

利用平面二维非恒定流数值模型，来研究中间渠道内非恒定流问题，该模型基于任意三角形计算网络，采用隐式求解自由表面的剖开算子法，离散求解控制方程，有效地处理了非线性混合算子和计算自由表面的困难，避免人工滤波措施，提高了计算精度和计算稳定性，并在三峡通航工程方案比较中得到应用。计算结果表明，该模型能较好地反映中间渠道内水流特征，与分析模拟船闸不同运行方式下渠道内水流波动特性，达到优化运行方案，改善渠道内航行条件的目的。     

在位—流函数坐标系下求解非线性不定边界问题

自由边界问题是一类重要的非线性流体运动问题。这类问题在工程中有着广泛的应用，如过水坝或过水闸门的出流，给定流量的射流，以及翼型设计问题。由于这类流动求解区域不确定，导致求解问题的非线性特征，使数值计算十分困难。本文以过坝水流问题为例，提出一种求解不定边界问题的新方法。     

在位－流函数坐标系下求解非线性不定边界问题

自由边界问题是一类重要的非线性流体运动问题。这类问题在工程中有着广泛的应用，如过水坝或过水闸门的出流，给定流量的射流，以及翼型设计问题。由于这类流动求解区域不确定，导致求解问题的非线性特证，使数值计算十分困难。本文以过坝水流问题为例，提出一种求解不定边界问题的新方法。     

龙抬头式泄洪洞水流数学模型及其应用

本文给出了一个实用、有效的三维泄洪洞水流数值模型。对泄洪洞进口段采用势流模型，对明流段则考虑了阻力与边界层发展的影响，提出了一种既适合内部边界层区，又适合外部边界层区的数值计算方法，使之能合理地模拟龙抬头式泄洪洞的水流特性。验证计算及工程应用表明，该数值模型具有较高的精度，能满足工程要求。     

龙抬头泄洪洞水力特性的数值模拟

以某水电站泄洪洞为研究对象,结合大比尺水工模型试验,采用RNG k-ε数值模型,利用VOF法追踪自由液面,对龙抬头泄洪洞的流场进行了三维水力特性的数值模拟,并提出2种增加掺气设施的修改方案。结果表明:数值模拟结果与水工模型实测值吻合较好,该方法可以较好地模拟三维流场;增加掺气设施后可以有效地减轻下游反弧段的空蚀破坏。     

猴子岩水电站深孔泄洪洞水力学试验及数值模拟

深孔泄洪洞是猴子岩水电站4套泄洪设施之一,其落差超过100m,洞内泄流流速最大可达22.5m/s,有高水头大流速这一特点。本文采用双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法,对猴子岩深孔泄洪洞有压洞弯段及无压洞段的多种水力学要素进行三维数值模拟。数值模拟结果与1:25单体模型试验数据对比表明,采用该紊流模型与数值计算方法,能够很好地模拟这种高水头、大流量且带有自由表面的掺气水流的水力特性。计算模拟出的多种水力特性,从变化趋势到数值精度可满足水工设计的要求。     

小石峡水电站溢洪道消力池结构优化的三维数值模拟

以新疆小石峡水电站为例,采用FLUENT软件、RNGk-ε紊流模型及VOF方法相结合处理了自由水面,并对溢洪道的流场进行了三维数值模拟,得到了优化溢洪道在设计流量1 856.2 m3/s时的泄流流态,并将消力池段自由水面线、底板压强、断面流速与模型试验结果进行了比较,结果表明数值模拟结果与模型试验结果吻合较好。     

HYDRAULIC PERFORMANCES OF SKIMMING FLOW OVER STEPPED SPILLWAY

Hydraulic performances of skimming flow over stepped spillway was studied by means of hydraulic model experiment. The stepped spillway is a modification of the WES (Waterways Experiment Station) standard spillway. The main objective of the experiment was to study the performances of skimming flow over stepped spillway, which include the skimming flow regime, the flow depth on the spillway , the effect of air en-trainment and the energy dissipation. Presented in this paper, the experimental results indicated that the stepped spillway is more effective at dissipating energy, the dissipation ratio decreases with increasing discharge, and the free surface air entrainment on stepped spillway occurs much more upstream than on smooth spillway.     

二维孔口的边界元法数值计算

本文利用边界元法建立了一个求解二维孔口的数学模型。这一模型的特点只需要知道边界上的基本边界条件和自然边界条件,就可以得到边界上所需要求的流函数和水流速度;进而也可以得到内点的流函数及流速分布;并得到壁面上的压力分布。通过对带自由面的丹江口深孔的算例,得到了令人满意的计算结果。     

乌拉泊水库开敞式溢流坝的设计

本文介绍了乌拉泊水库的开敞式溢流坝设计方法,使用WES曲线建立了溢流坝的顶部曲线;在对自由液面进行处理时,先对计算区域利用分区网格技术进行了网格划分,每个网格中速度分量及压力分量按RNGK-ε模型的SIMPLE算法确定;然后采用欧拉模型中的VOF方法确定自由面的位置,最后对水面线形状及流量系数进行了数值计算。     

用蒙特卡罗法解堰闸流动

本文首次运用不规则游动网格的蒙特卡罗方法求解堰闸流动问题.根据蒙特卡罗方法可以独立计算区域内任一点值的特点，提出了相应的自由表面和流量的迭代计算方法.经过多组计算表明，本文方法灵活、快速，流量系数、堰面压力分布的计算值与试验值吻合良好，为蒙特卡罗法求解有自由表面的流动问题取得了成功的经验。     

RE-AERATION LAW OF WATER FLOW OVER SPILLWAYS

1. INTUODUCTION Due to the strong turbulence of the flow over the spillway, air is entrained into water body making the oxygen content increased. It is important for river, especially for city-river to maintain favorable water quality and ecological envir…