浑水水力分离装置中水沙两相湍流的数值模拟

文章采用RNG(重整化群)k-ε双方程紊流模型和简化的多相流Mixture(混合)模型,对浑水水力分离装置内水沙两相湍流场进行了数值模拟,得到浑水水力分离装置的柱体区、悬板区以及锥体区内含沙水流的平面速度矢量分布、含沙水流的紊动强度分布以及泥沙体积浓度分布。通过装置内清、浑水流场的计算结果,分析了泥沙的存在对装置内水流平均流速和紊动强度的影响,以及不同区域内影响水沙分离的主要作用力。研究结果表明泥沙的存在不会削弱水流的平均运动,但泥沙可有效地抑制水流的紊动扩散作用,有利于悬浮泥沙的沉降,装置内不同部位影响水沙分离的主要作用力不同,在锥体区和悬板区水沙分离主要依靠离心力,而在柱体主要依靠重力沉降。     

漏斗式全沙排沙工程试验研究及其应用

漏斗式全沙排沙设施是一种排沙耗水量小，截沙率高的泥沙处理技术，并已在工程实际应用中取得了良好的效果。本文通过其清、浑水流场特性分析表明，漏斗室内部水流特性有利于水沙分离和泥沙的排除。     

黏性泥沙絮网结构形成过程研究

黏性泥沙的沉降和沉积过程是泥沙运动力学的一个重要研究内容。采用连云港徐圩港区航道淤积物,分别在30cm高量筒和200cm高自制沉降筒中进行了静水沉降试验,观测了清浑水交界面的形成和沉降过程,测量了沉降过程中清浑水交界面以下含沙量垂向分布。通过分析试验结果,提出了一种根据清浑水交界面沉降速度判定絮网结构形成的新方法,并据此初步解释了黏性泥沙沉降过程中制约沉降、絮网沉降和絮网密实三个不同沉降阶段絮团间作用的差异。     

应用PIV技术测试浑水水力分离清水装置的清水流场流动特性

利用粒子图像测速(Partic le im age veloc im etry,简记PIV)技术,测试了不同工况下浑水水力分离清水装置的清水水流流动特性,给出了该装置内水流流速矢量分布、流场流线、速度分量应变率分布和流场涡量分布图.并据此分析了浑水水力分离清水装置内部清水水流流动特性.     

三峡工程水轮机的浑水特性和磨损特征

针对三峡工程水轮机的运行特点，采用长江天然泥沙进行了三峡水轮机模型浑水试验研究，其目的是了解水流挟沙对三峡水轮机性能的影响、水轮机转轮内泥沙磨损部位及相对强度等，为真机防护及运行提供依据．试验在中国水利水电科学研究院水力机电研究所高精度水力机械通用模型浑水试验台上进行．试验内容包括清浑水能量试验、清浑水临界空化性能与初生空化性能试验、清浑水水压脉动试验和泥沙磨损试验．结果表明，在三峡水电站过机泥沙条件下，水流挟沙对水轮机效率、运行工况及水压脉动的影响很小，而对初生空化影响比较大，即随着含沙量的增大，初生空化系数有增大的趋势．此外，为减轻磨损，汛期浑水工况下水轮机应尽量避免过大开度或超负荷运行，转轮抗磨防护重点部位为叶片出水边和下环内侧面．     

浑水-浮泥分层流动稳定性判别标准

稳定行进中的泥沙异重流,由于垂向泥沙浓度分布不均,在交界面处存在密度梯度和黏度梯度。交界面以上为含沙量较少的浑水层,泥沙颗粒悬浮在液体中,属于牛顿流体;交界面下侧为含沙量较高的浮泥层,其流变关系表现出非牛顿特性,选取幂律流模型对其进行描述。根据上下层流体中泥沙浓度分布及流变特征的不同,该文构建了浑水-浮泥双层流体模型,综合考虑上层浑水密度、下层浮泥密度、浮泥幂律指数及浮泥相对厚度等特征参数,计算了分层流由层流转捩为湍流时的临界雷诺数,分析了浑水-浮泥分层流扰动流速分布特征,阐述了浮泥层对分层流体流动稳定性的影响,表现为下层浮泥的密度和黏度均大于上层浑水,随着浮泥层密度和相对厚度的增加,分层流体流动稳定性逐渐增强。该研究为构建泥沙异重流稳定运动模型提供了思路。     

浑水条件下水头及流量测量方法探讨

从浑水水头的定义入手,提出了以一个压力场和两个速度场为前提的浑水水头表达方式,并在对欧拉数、压力系数、流量系数等相似参数进行细致分析的基础上,进一步确认了两相流条件下浑水水头的相似表达。其次,本文还探讨了泥沙等固体颗粒进入压力测量管路给测量结果带来的不确定性和巨大影响,介绍了浑水水头的正确测量方法,推导了避免泥沙颗粒进入测压管路的浑水水头测量计算公式,提出了通过测量泥沙流量浓度和体积浓度的方式间接测量计算泥沙流速和清水流速的方法。关于固液两相流的流量测量,主要介绍了电磁流量计不受固体颗粒影响并可高精度测量浑水流量的原理,论述了固体颗粒对文透里流量计测试浑水流量的影响,介绍了水轮机蜗壳压差流量计在浑水条件下高低压两侧泥沙浓度的巨大差异,分析了其产生的原因及对流量测试的影响,提出了初步的解决办法。     

光电式清浑水界面探测器研制

根据光电传感器原理和泥沙颗粒的阻光效应,研制出光电式清浑水界面探测器,可有效探测水库浑水层深度和厚度。本文简要介绍了清浑水界面探测器的结构、工作原理及其在水库异重流测量中的应用情况。     

黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速试验

为了研究黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速的计算方法,在室内用U-PVC管道,以黄河泥沙为沙样,进行了90、110、125 mm三种管径、两种泥沙颗粒级配条件下,不同含沙量浑水管道输水临界不淤流速试验。结果表明:试验条件下,在含沙量、管径相同时,浑水中泥沙粒径越大,临界不淤流速越大;在管径、泥沙粒径相同时,含沙量越大,临界不淤流速越大;在泥沙粒径、含沙量相同时,管径越大,临界不淤流速越小。依据试验成果,利用回归分析方法建立了黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速计算公式。     

宝泉水库库区水文泥沙观测浅析

泥沙侵蚀对水轮机的使用寿命影响较大,因此,在电站设计时考虑在下库（宝泉水库）进出水洞口建挡沙墙,避免高速水流搅动库底泥沙使浑水进入导水洞。为取得设计所需的泥沙参数,于2003年汛期对宝泉水库库区洪水期泥沙运动和流速分布规律进行了观察研究。通过对宝泉水库库区水文泥沙在不同时期、不同水位级的泥沙运动规律和主流垂线上流速的分布规律研究,得出初步结论,对以后开展宝泉水库中的水文及泥沙进一步研究奠定基础。     

射流清淤对提高潼关河段输沙能力的作用

根据水流输沙机理及潼关河段射流清淤的野外试验资料,分析了影响潼关河段输沙能力的因素及射流船的射流冲刷效果,并初步计算了射流清淤对提高输沙能力的作用。研究认为,潼关河段的射流清淤,一方面通过射流装置冲起大量泥沙,提高了水流的含沙量,另一方面改善了清淤河段的河槽形态,使之趋于窄深,从而提高了河道输沙能力。初步结果表明,射流清淤使河道增加的输沙量是射流冲起泥沙量的1．6倍左右。     

河口泥沙研究的进展

作者通过大量的文献调研，评述了国内外学者在河口泥沙运动的基本理论、数值模型等方面的研究工作和成果，结合近年来作者关于河口水流结构、盐淡水混合以及泥沙输运的研究工作，提出加强对河口泥沙非恒定运动过程、河口最大浑浊带形成机理及其与河口拦门沙演化关系研究的必要性，并指出河口泥沙运动与河口地区湿地演变和浮游生物生长环境的关系是当前河口泥沙运动研究的两大热点。     

小浪底水库排沙对下游鱼类的影响研究

采用现场调查和室内实验相结合的方法研究了黄河小浪底水库排沙期间下游河流出现鱼类死亡现象的原因。2010年度小浪底水库排沙期间,下游出现了高含沙水流过程,伴随出现了鱼类死亡现象,调查发现受影响鱼类有5目5科11种。水库排沙期间的含沙量、溶解氧变化过程的现场调查及室内实验结果表明,小浪底水库排沙时细颗粒泥沙含量较高,堵塞和损坏鱼鳃是导致鱼类死亡的原因之一。当含沙量大于80 kg/m3时,水体溶解氧下降至鱼类生存所需下限2mg/L以下,鱼类在短时间内缺氧而死亡;当含沙量低于60kg/m3时,根据现场调查结果及相关人员经验判断水库下游河道内不会出现鱼类死亡漂移现象。水库排沙期间,下游河道水体的含沙量与溶解氧浓度具有较好的相关性,即河道水体的溶解氧浓度随着含沙量的增加而减少,可通过控制出库含沙量及其持续时间减轻对鱼类的影响。     

排沙漏斗水流结构及对输沙过程的影响

经过十多年研究与总结，新疆农业大学相继推出了两种不同型式的排沙漏斗结构形式，分别用于排除来流中的推移质及悬移质泥沙。模型试验及部分原型观测的资料表明，其排沙效果好，且耗水量小。本文首次利用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）测试了其中一种结构形式排沙漏斗的三维螺旋流流场，对其时均流特性及紊动特性进行了分析和研究。同时还分析了其对输沙过程所产生的影响，为进一步优化此类型排沙漏斗的体型打下了基础     

悬移质泥沙有限元模型初探

本文针对传统有限元方法在求解以对流作用为主的泥沙运动方程时所遇到的困难，分别采用迎风有限元和特征有限元法进行耦合求解。通过数值实验证实两种方法可以很好地处理对流项，其中尤以特征有限元法为最优。尽管目前该方法计算耗时稍多，但随着硬件技术的发展，将得到广泛的应用。     

长江上游高洪水期泥沙输移特性

长江上游高洪水期(汛期)泥沙输移特性是决定三峡库区泥沙淤积的关键因素,直接关乎三峡水库使用寿命及综合效益的发挥。借助干、支流长系列水沙资料,分析了长江三峡水库入库寸滩站高洪水期泥沙输移特性,结果表明:近40 a来,寸滩站场次洪水中7 d洪量未出现趋势性变化,而7 d沙量显著减少,高洪水期输沙经历了“涨水输沙占优—涨、落水基本持平—落水输沙占优”的变化过程。2013年以前,寸滩站高洪水期径流及泥沙均主要来自于金沙江,而向家坝、溪洛渡水电站陆续投运后,2013—2019年寸滩站洪水场次(洪峰流量30 000 m³/s以上)共计14场。从径流来源来看,仅4场主要来自于金沙江,其余9场主要来自于嘉陵江,1场来自岷江;从泥沙来源来看,9场主要来自于嘉陵江,其余5场分别来自于沱江、岷江、横江,金沙江已不是寸滩站高洪水期过程中泥沙的主要来源区。研究成果可为三峡水库沙峰排沙调度、库尾减淤调度提供理论支撑,为长江泥沙治理提供保障。     

三峡库区细沙输移运动状态的水槽试验研究

三峡库区内淤积泥沙均属细颗粒泥沙范畴,运动规律较为复杂。依靠传统泥沙理论即以挟沙力为判断标准,所得冲淤情况与实际观测情况有所出入,需进行进一步研究。在三峡库区典型淤沙河段——皇华城河段现场观测的基础上,通过水槽试验研究库区细颗粒泥沙的运动特点,对不同水深流速下细颗粒泥沙的运动状态进行归类整理,发现其淤积过程可根据水深与流速的不同划分为3个区域,即冲刷区、相对平衡输送区及淤积区,并指出用流速作为判断细沙输移状态的标准更符合库区实际冲淤情况。     

长江上游泥沙输移比初探

首先阐述泥沙输移比界定的三个条件一是粒级 ,二是时间 ,三是空间 ,在此基础上讨论了长江上游泥沙输移比研究中存在的主要问题是缺少可靠的侵蚀产沙量 ,对悬移质和推移质的分界线不明确 ,对坡面侵蚀产沙和重力侵蚀产沙在总输沙量中的权重缺少量的概念 ;针对上述问题对河道及沟道泥沙输移比的推理分析 ,再根据反映泥沙输移比的形态指标的定性分析 ,认为长江上游除丘陵宽谷区泥沙输移比会小于 0 .5外 ,高中山区长时段的泥沙输移比都接近 1(不包括泥石流在内的重力侵蚀 )。     

小流域产流产沙动力学模型

按自然水系划分单元,每一单元又被概化为“一本打开的书”概化后的单元又区分为几个微地貌区。各单元水沙过程演算至流域出口迭加得流域产流产沙过程。此法一方面解决了降雨,侵蚀和下垫面的不均匀性,另一方面又解决了水沙的演算问题。坡面和沟道水流用运动波方程描述并用四点隐式差分格式求其数值解。根据水流作功和能量平衡原理推导出各微地貌区上的土侵蚀量计算公式,建立起具有物理过程基础的小流域产流产沙模型。     

非均匀沙床面阻力特性的实验研究

天然情况下，河流泥沙组成多为非均匀沙。河流床沙及其粒径组成的非均匀性是影响水流阻力的主要因素之一，研究床沙组成的非均匀性对水流阻力的影响，具有重要的理论和实际意义。本文在大量实验和实测资料的基础上，首次系统考虑床沙级配及其组成的非均匀性对水流阻力的影响，认识了床沙组成非均匀性对水流阻力的影响关系，初步得出非均匀性对水流阻力影响的规律，丰富了人们对床面泥沙组成非均匀性的认识，为进一步深入研究奠定了基