导流明渠流速与底宽及流量的非线性关系

建立了用于模拟导流明渠流场的平面二维水流数学模型,采用局部连续非规则网格划分计算区域,有限体积法求解水深积分方程,显式MacCormack预测-校正格式步进计算.利用物理模型的测量数据对数学模型进行验证,数值模拟结果与测量数据吻合较好,表明建立的数学模型能合理地模拟明渠内的水流.通过模拟一系列底宽导流明渠内的流场,得到了底宽一定时明渠最大流速随流量的变化关系,以及流量一定时明渠最大流速随底宽变化的斜率,进而得到了斜率与流量之间的非线性关系,研究成果可为导流明渠的设计提供依据.     

表孔、底孔联合泄洪流场数值模拟与冲刷趋势分析

摘 要： 【目的】为了优化泄水建筑物的体型与布置方案,探索流场分布与下游河床局部冲刷间的关联性。【方法】结合某大型水电站表、底孔泄洪设施的物理模型实验,基于标准 湍流模型、VOF自由表面捕捉技术,对其联合泄洪三维流场进行数值模拟研究,获得了表孔溢流坝面,底孔及消力池内的流速,水面线,压力等水力特性。通过与水工模型试验结果对比,分析流场结构与下游河道冲刷形态间的关联机制。【结果】结果表明：原设计方案消力池内水流波动大,流场紊乱,出池水流二次跌落大且主流下潜河床,横向扩散不充分。相应的物理模型上,下游发生了严重的冲刷,冲刷最严重的右岸岸坡及表孔左导墙下游,恰好是右岸主流贴岸及左岸回流压迫区。通过改进消力池体型,保留低孔与表孔消力池间施工导流墙等措施,显著改善了消力池及出池流态,出池水流二次跌落减小,下潜程度大为减弱,出池主流水平扩散较为充分,横向挤压等得到充分的抑制。相应地河床冲刷的范围及深度均大为减小,特别是原方案底孔侧对应右岸区域几乎没有发生冲刷。【结论】可见,在局部冲刷模拟还很不成熟的情况下,可以基于流场分析的办法对下游河床冲刷进行趋势性分析,进而指导泄水建筑物的布置与体型优化。     

低Fr数宽尾墩消力池流场3维数值模拟

宽尾墩消力池在许多工程中得到应用,而低Fr数宽尾墩消力池内部流场较为复杂。本文采用RNGk-ε紊流模型结合自由面追踪的VOF方法对低Fr数宽尾墩消力池内部流场及水面形态进行了数值模拟,避免了模型实验中由于测量等其他因素产生的误差。对比两种方案的水流形态及流场特性发现计算值与试验值吻合良好。通过对比两种体型消力池流动结构和紊动能分布特性,获得了模型试验难以测量的流场详细信息,结果令人满意。     

复杂流场的二维数值模拟方法

提出了基于二维数学模型对溢洪道下游三维复杂运动流场进行模拟计算的一种新方法.通过对泄洪建筑物下游河道复杂流场水流运动及河床冲刷状况的分析,研究了自由面流消能区水流扩散方式、流动特征及相关水力要素的概化确定.根据主流下回流区和表层水股之间质量交换很小的特点,提出了把底部回流区域作为河道无实际过流部分,即修正河流下边界条件,对溢洪道挑坎下游复杂流场进行二维数值模拟的方法.利用上述方法对某工程实例进行了数值模拟计算,计算结果与实际流场状况比较一致,较为真实地反映了自由面流区的流动.     

安谷水电站导流明渠流态及冲刷分析

以安谷水电站枢纽导流明渠工程为依托,选取典型的工程河段设计导流明渠试验模型,采用多波束测深仪,动态跟踪河床的冲淤演变状态.针对试验模型建立有限元数值分析模型,根据水文水情实测数据并考虑3种分流比工况,研究了导流明渠及相邻河床段的地形变化、水流流速、流态和堤脚冲刷等,对该河段河床的演变及导流明渠坡脚冲刷情况进行了分析.研究成果为工程施工期导流明渠坡脚防冲加固与度汛应急抢险措施的决策提供了科学依据.     

沿河路基三维数值模拟分析

对河道水流水力学特性变化及冲刷特性进行研究,确定沿河公路路基冲刷最大深度,对保障沿河公路安全有重大意义。运用物理模型试验设置河床质,在分析路基冲刷沿程分布特征和流量及弯道角度对路基冲刷影响的基础上,通过模拟临河公路路基冲刷沿程变化,建立沿河公路路基冲刷三维数值模型,采用FLOW-3D对其进行求解,模拟出河道沿程各点冲刷深度。结果表明,水流特性及河道冲刷实测值与模拟值符合度均较高,该方法可为沿河公路路基冲刷深度确定提供理论支持。     

宽浅导流明渠渠首进口型式试验

以新集水电站施工导流工程为对象,通过物模试验研究了宽浅导流明渠渠首位置的进口型式对明渠泄流能力及明渠内部水流特性的影响.试验结果表明,在不增加(如加筑顺坝)或不改变(如偏转上游纵向围堰)导流建筑物的前提下,明渠渠首底部的河床形状是影响明渠泄流和渠内水流特性的主要因素.试验中提出了两种不同的渠首河床开挖方案,通过对比明渠泄流能力和水流流态、流速、水面线等水力参数,确定选用局部疏挖加深槽的开挖方案,获得了较好的效果.对相似工程具有一定参考价值.     

堤防决口下游泥沙冲刷的三维数值模拟分析

堤防决口水流冲刷将直接影响建筑物的整体安全,基于Flow-3D软件建立了泥沙冲刷的三维数学模型并采用物理模型试验算例进行验证,验证结果表明数值模拟泥沙计算值和试验实测值拟合较好。随后采用所建模型模拟计算了不同型式(矩型、U型、T型、V型)堤防决口的冲刷过程并对计算结果进行比较分析,结果表明堤防决口出口堤脚处水流冲刷泥沙的程度最大,冲坑深度随着河道水流方向逐渐增大,矩型决口下游泥沙冲刷的的范围面最广,冲坑两侧泥沙堆积高度最大;V型决口下游泥沙冲刷的范围最小,泥沙堆积范围最小;U型和T型决口下游冲坑发展较为对称且规律相似,可相互参考分析。更多还原     

闸孔出流水流特性数值模拟

闸门是一种控制水位和流量的建筑物,其出流特性与出流计算是工程水力学中颇为关注的问题.对淹没出流条件下冲刷坑形成过程中,闸孔出流的泄流能力、冲刷坑内水流流态及机械能的变化尚未开展研究,通过数值模拟对此进行了探讨,得到如下成果:1)在闸孔出流过程中,伴随着河床底部边界的变形及水跃的调整,过闸流量有变化但变化很小;2)在闸孔出流过程中,冲刷坑内的回流形态不断调整,重汇点位置也从冲刷坑形成初期的最大冲深位置下游不断回缩,直至与最大冲深位置相当;3)在闸孔出流过程中,伴随着河床底部冲刷的发展,闸门下游急变流段水流运动的总机械能损失是朝着减小的方向调整的,且机械能损失系数随冲刷时间不断减小趋于某一定值.     

往复式隔板絮凝池流场模拟与结构优化

目的为了合理地设计和优化混凝工艺，改善流场结构，提高混凝效果，并验证往复式隔板絮凝池的结构优化参数．方法应用计算流体力学（CFD）技术对往复式隔板絮凝池的流场进行了数值模拟．结果模拟结果表明转弯过水断面面积A1与廊道内的过水断面面积A2比值A为1．3时，絮凝池转弯处流速分布较合理，整个流场过渡较平稳．模拟结果还表明，将絮凝池直角拐角和隔板的矩形端面设计成圆弧形，可以消除拐角处的死水区，为絮凝过程创造良好的水力条件．结论应用CFD技术对絮凝池流场进行数值模拟，获得水流结构，分析研究其流场特性，能够为高效絮凝的理论研究与絮凝池的优化设计提供一定的依据．     

雪卡水电站长引水渠道的水力瞬变计算

在雪卡水电站长引水渠道的水力瞬变计算中,应用一维明渠非恒定流方程及其相应的初边界条件,通过数值求解进行电站长引水渠道各种工况运行下的水力设计,并进行了复核计算.重点研究了在机组增、甩负荷时,瞬变运行状况下的非恒定流运动,对工程是否采用溢流侧堰进行了对比计算,得到了电站各种运行工况下渠道瞬态水面线、流速、前池侧堰的溢流过程线等,为合理确定渠道断面尺寸、比降、前池大小、侧堰宽度、堰顶高程及压力钢管进口高程等提供了依据.比设计《规范》提供了更全面、更合理的水力信息,又弥补了水工模型试验模拟长距离输水的缺陷,建议在同类工程中推广使用.     

三峡水库蓄水后关洲河段河势调整对松滋口分流影响

关洲河段属典型的主流年内交替型分汊河道,地处三峡大坝下游,受三峡水库蓄水运用带来的水沙变异影响,河道冲淤响应较早,但因河床组成差异呈现出不同于沙质河床的河势调整规律。松滋口作为分泄长江水沙进入洞庭湖的重要通道,其分流特性变化与上游关洲河段河势调整密切相关,但三峡水库蓄水运用后两者的影响关系研究相对不足。本文基于近10年来的河道实测资料和水文观测数据,分析了三峡水库蓄水运用以来关洲河段的河道演变特点;从关洲河段河道冲淤、左汊发展和左汊主汊的维持时间等三个方面研究了上游河势调整对松滋口分流的影响。研究成果表明：三峡水库蓄水运用以来(2002.10~2013.11),关洲河段河道枯水河槽冲刷幅度较大,冲刷量占总冲刷量的90%,且冲刷主要集中于左侧低滩及左汊,致使左汊中下段深泓高程低于右汊,枯水期同流量下左汊分流比呈现增加的趋势;当上游来流小于20000m₃/s时,同流量下松滋口分流能力下降,但这一影响随着关洲河段河道冲刷的趋于平衡而逐渐削弱;关洲左汊的发展有利于增加较大流量时松滋口的分流比,且这一流量持续的时间越长,即左汊维持主汊地位的时间越长,松滋口年分流比越大。此外,左汊的过度发展可能会引起关洲河段主流不再年内交替,而是将长期稳定在左汊河道,建议有关部门加强对关洲河段左汊河道的监测。     

Numerical simulation of turbulent flow in helically coiled open-channels with compound cross-sections

Turbulence structure in a helically coiled open channel flow is numerically simulated using three different turbulence models-the Launder and Ying model, the Naot and Rodi model, and the nonlinear k-ε model (SY model). Simulation results were compared with observation of (i) turbulent flows in alternating point-bar type channel bends with rectangular sections, and (ii) straight open channel flows with compound cross-sections. Based on calculations of the impact of various channel curvatures on turbulence characteristics, accuracy of the three turbulence models was analyzed with observed data as a qualitative reference. It has been found out that the Launder and Ying model and the nonlinear k-εmodel are able to predict the same general trend as measured data, and the simulation of the effect of the centrifugal force on the formation of secondary currents produces a correct pattern.     

明渠交汇区水位变化特性试验研究

交汇河流在自然界中普遍存在,水流相互作用突出,水位流量关系变化复杂。本文基于物理模型试验探讨了天然河流交汇区水位变化特性,分析了不同干支流来水条件下的水位沿程变化、交汇区典型断面水位流量关系、交汇区泥沙起动流速变化等特性。结果表明,交汇区水位变化的强弱与干支流流量等密切相关,交汇区泥沙起动流速随里程变化与单一河道有明显差异。     

地铁站Y型通道内行人汇集流交通特性

为探索地铁站汇集通道内行人流密度的变化特征,建立改进偏随机步行者格子气模型来模拟开放边界条件下高峰期Y型通道内行人流汇集过程,模型由正方形与三角形格子组成,并利用QT编程仿真以任意角度相交的通道内的行人流.通过分析分支通道与汇集通道内行人流密度的相变规律特征,得到密度变化相图.研究证明汇集通道内行人流密度随分支通道宽度及偏移角度的变化关系,并结合理论推导证明仿真结果的准确性.研究发现：对于分支通道宽度相同的Y型通道,当分支通道行人流密度分别为0.4和0.3时,汇集通道内行人流发生拥挤过度,此时汇集处行人流密度约为0.5;但当分支通道宽度不同时,Y型通道汇集处发生拥挤的临界密度随分支通道宽度比值增大而减小,且随偏移角度增大而增大.     

不同引渠形式下深式短管进口泄流能力的试验研究

为研究红岩河水库导流泄洪洞深式短管进口引渠形式由明渠改成涵洞后对其泄洪能力的影响,对其在明渠和涵洞两种形式下分别做水工模型试验,验证其水力特性。结果表明,较明渠形式,涵洞形式下的导流泄洪洞同水位下泄流量有不同程度的减小,下泄流量减小在导流泄洪洞进口为压力流状态时表现明显,且减小值随水位的升高而变大;大坝度汛期100年一遇洪水时,试验下泄流量较设计下泄流量约小6.35%;运行期100年一遇洪水时,试验下泄流量较设计下泄流量约小6.51%;运行期2 000年一遇洪水时,试验下泄流量较设计下泄流量约小6.95%。建议在将红岩河水库导流泄洪洞深式短管进口引渠由明渠改成涵洞形式后,需关注导流泄洪洞的下泄流量减小问题,避免由于水库下泄流量不足引起的大坝安全问题。     

大型泵站引水河道流场的数值模拟

应用正交曲线坐标系下的二维水深平均数学模型对大型泵站的引水河道流场进行了数值模拟 .采用Pois son变换生成正交网格 ,用四边形插值方法生成计算网格的底高程数据 ,并用SIMPLEC方法求解离散方程 .由该模型计算出的金口泵站引水河段的流场图及各断面垂线平均流速分布与物理模型试验的成果较为一致 .     

复杂汊道汛期水力特性的数值模拟分析

为研究复杂汊道汛期的水力特性,结合工程实例,采用平面二维数学模型模拟多汊河道的水流,从分流比、水位和流速3个方面计算天然和两种工况下的水力特性参数,同时比较分析两工况对河道水力特性的影响。结果表明:副坝的建设可以显著改善上游复杂汊道的散乱流态,减少分汊数目,但由于分流比大大增加,副坝内导流明渠下游断面的水位和流速有明显增加;两工况在副坝段开设汊口均不会对左汊和中汊行洪造成影响,但工况2增设2#汊口可降低导流明渠的水力特性参数,更有利于行洪安全。