基于不同断面形态的直角分流口处局部损失研究

明渠横向分流是一种常见的水流形态,分流时易产生漩涡,会产生较大的水头损失。以往的研究主要关注于固定形态河槽、小比降的分流问题。本文采用Mike21数学模拟手段,模拟干流不同断面形态(矩形、梯形、三角形)的水流分流状态,研究分流口门处的局部水头损失,并提出不同断面形态下弗劳德数和局部水头损失系数的变化关系。结果表明:同一断面形态下,随着进口流量的增大,分流口门处产生的局部水头损失逐渐增大;同一流量,三角形断面局部水头损失最大,梯形次之,矩形最小;明流缓流情况下,随着弗劳德数的增加,局部水头损失系数逐渐减小。研究成果既丰富了水力学学科内容,又为类似工程提供技术支撑。     

台阶式溢洪道阶顶过流断面弗劳德数沿程变化研究

弗劳德数是明渠水流的重要水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。本文将台阶式溢洪道弗劳德数和对应光滑溢洪道弗劳德数对比,引入相对弗劳德数概念。通过26.57?、32.01?、38.66?和51.3?四组不同坡度,0.5~2.0m不同台阶高度的15组模型试验,分析了非均匀流段台阶式溢洪道弗劳德数及相对弗劳德数与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能水头之间的关系。台阶式溢洪道弗劳德数与这些参数关系复杂,不便分析应用,而台阶式溢洪道相对弗劳德数和这些参数呈良好线性关系,试验结果证实了引入台阶式溢洪道相对弗劳德数的必要性。     

相对粗糙度和雷诺数对90°弯管局部阻力系数的影响

工程水力计算中的弯管局部阻力系数多为经验值,取值因来源不同而相差数倍,直接影响水力损失计算精度和工程造价.以90°圆弧弯管为研究对象构建模型,采用不同粗糙度钢管试验验证了三种k-ε紊流模型的正确性,在工程常用雷诺数范围3.2 ×104≤Re≤3.2×107和相对粗糙度范围0≤Δ/D≤0.002,模拟计算了不同相对粗糙度和雷诺数组合下的200余种工况的局部阻力系数.结果发现局部阻力系数与沿程阻力系数有类似的分区特征,存在光滑区、过渡区和粗糙区.在光滑区,局部阻力系数与雷诺数呈幂函数递减;在过渡区,局部阻力系数与雷诺数和相对粗糙度均有关;在粗糙区,局部阻力系数与相对粗糙度正相关,与雷诺数无关.局部阻力的影响长度在光滑管内随雷诺数增大呈非线性递增,在光滑管以外,随雷诺数的增大先递减然后趋于稳定,与相对粗糙度呈负相关.局部阻力系数与沿程阻力系数之间有一定函数关系,函数系数的变化仅与相对粗糙度有关.研究结果可为弯管局部损失的估算提供参考.     

植被覆盖度对坡面流相对水动力学特性的影响

为深入研究植被的水土保持效益,本文通过5个覆盖度,6个坡度和7个流量的组合条件下室内放水试验,研究相对流速,相对水深,相对弗劳德数和相对阻力系数等相对水动力学参数,结果表明:随植被覆盖度和流量增加,相对流速和相对水深均增加,植被减流效果增强,覆盖度分界点为4.650%,且植被覆盖度对相对流速的影响与流量有关,而坡度对二者影响甚微;相对弗劳德数随植被覆盖度和流量增加而增大,植被削弱坡面流侵蚀能力越强,覆盖度分界点与流速一致;相对阻力系数随相对水深的增加呈线性增大。本文为植被措施的选择和植被减水减沙效益评估提供参考。     

矩形平底渠道淹没水跃区的紊流边界层发展北大核心CSCD

根据Rajaratnam对矩形平底渠道淹没水跃区的断面流速分布、最大流速、壁面切应力和最大流速之半处距壁面距离的试验成果,利用Verhoff的附壁射流区的断面流速分布公式和紊流边界层的动量积分方程,研究淹没水跃区紊流边界层的发展、最大流速之半处距壁面距离和水跃区零流速线的计算方法。给出了淹没水跃区最大流速沿程变化的近似计算公式;提出了紊流边界层厚度、最大流速之半处距壁面距离和零流速线的理论计算方法,通过Rajaratnam的试验资料对其进行了验证和修正,给出了实用的计算公式;完善了Rajaratnam最大流速之半处距壁面距离经验公式中系数的计算方法。研究表明,矩形平底渠道淹没水跃区紊流边界层的计算公式在形式上与一般光滑平板一样,与雷诺数1v x/?的1/5次方成反比,与距离x的1.14次方成正比,相对最大流速之半处距壁面距离和零流速线均与跃前断面雷诺数成反比,与相对距离成正比。     

矩形平底渠道淹没水跃区的紊流边界层发展

根据Rajaratnam对矩形平底渠道淹没水跃区的断面流速分布、最大流速、壁面切应力和最大流速之半处距壁面距离的试验成果,利用Verhoff的附壁射流区的断面流速分布公式和紊流边界层的动量积分方程,研究淹没水跃区紊流边界层的发展、最大流速之半处距壁面距离和水跃区零流速线的计算方法。给出了淹没水跃区最大流速沿程变化的近似计算公式;提出了紊流边界层厚度、最大流速之半处距壁面距离和零流速线的理论计算方法,通过Rajaratnam的试验资料对其进行了验证和修正,给出了实用的计算公式;完善了Rajaratnam最大流速之半处距壁面距离经验公式中系数的计算方法。研究表明,矩形平底渠道淹没水跃区紊流边界层的计算公式在形式上与一般光滑平板一样,与雷诺数1v x/?的1/5次方成反比,与距离x的1.14次方成正比,相对最大流速之半处距壁面距离和零流速线均与跃前断面雷诺数成反比,与相对距离成正比。     

矩形明渠二维恒定均匀层流断面流速分布及阻力研究

基于广义牛顿内摩擦定律和水流能量方程,推导出了矩形明渠二维恒定均匀层流条件下流速偏微分方程定解问题,使用固有函数法求得了解析解;建立了指数函数型和幂函数型断面平均流速近似表达式;重点分析了在宽深比大于1的条件下,断面平均流速和沿程阻力系数的相应变化情况,并与二元明渠恒定均匀层流进行了对比。分析表明,由于侧壁的影响,断面平均流速下降而沿程阻力系数增加。     

基于量纲分析的滴灌管水头损失预测模型

通过室内试验分析了管长、滴头间距和入口压力3个因素对滴灌管总水头损失的影响,结果表明:滴灌管总水头损失随管长和首部压力的增大、滴头间距的减小而增大,且变化速率随管长增大和滴头间距减小而增大,随首部压力的变化较为稳定,呈现良好的线性相关关系。针对目前滴灌管水力计算需要推求多孔系数、估算扩大系数、计算量大等问题,将影响滴灌管水头损失的基本量滴灌管入口断面平均流速υ0、滴灌管内径D、液体动力黏滞系数ν、重力加速度g、为管道长度L、滴头间距s,运用量纲分析方法导出为四个无量纲量υ0D/ν,υ02/g D,LD/s~2和ε,通过多元回归建立了具有量纲和谐性的滴灌管水头损失计算公式,分析了滴灌管能坡曲线的函数形式,回归得到了水头损失比和沿程压力分布模型。以上模型预测值与实测数据拟合效果良好,可为滴灌系统水力计算及设计提供参考。     

滴头插入式毛管局部水头损失模拟研究

滴灌是目前最有效的节水灌溉方式之一,而准确计算毛管水头损失是滴灌设计的前提。毛管沿程水头损失的计算已基本形成统一认识,而局部水头损失规律因滴头形状的复杂性和布置方式的多样性仍没形成一致认识。为探明滴头插入对毛管水流局部阻力及流动特性的影响,本文对两种插入式毛管进行灌水试验,同时采用计算流体力学(CFD)数值模拟并分析验证,结果表明数值模拟与试验吻合度较高,可用数值模拟研究插入式毛管局部水头损失。在此基础上对9组滴灌管进行模拟研究,分析了不同流态下毛管局部水头损失系数影响因素。结果表明层流和紊流流态下,毛管局部水头损失系数均随雷诺数的增大而减小,随滴头毛管断面面积比的增大而增大;毛管局部水头损失占沿程水头损失之比值与滴头间距和滴头流量有关;毛管层流段水头损失相对较小,在不需精确计算时可忽略不计。研究结果可为管网水力计算提供参考。     

石子煤气力输送系统阻力特性研究

通过搭建石子煤气力输送系统中试试验台,研究了纯通风条件下,输送系统管路上的静压和气流速度分布特征,得到了纯通风条件下输送系统的沿程阻力系数和局部阻力系数;进一步探讨了筛分后不同粒径石子煤颗粒的沿程阻力和局部阻力特性,并对未经筛分的石子煤原料进行了阻力特性研究。结果表明:该系统可成功输送电厂磨煤机排放的石子煤颗粒;随石子煤粒径增大,沿程阻力系数和局部阻力系数有所增加;随石子煤质量浓度增加,各粒径石子煤的沿程阻力系数和局部阻力系数均呈上升趋势;混合粒径石子煤颗粒的斜坡段阻力系数稍高于直管段摩擦阻力系数,局部阻力系数则远高于前二者。     

用流速对数律研究附壁射流区的壁面阻力

依据Myers和前人对附壁射流区流速分布的实测资料以及附壁射流区边界层发展的经验公式,研究了附壁射流区的壁面局部阻力系数、阻力系数、平均壁面阻力系数和壁面阻力的变化规律,提出了附壁射流区流速分布的对数律公式,给出了壁面局部阻力系数C_f'与U_mδ/v的关系,C_f'和壁面阻力系数C_f与跃前断面雷诺数Re_1和相对距离x/h_1的关系,给出了壁面阻力和平均壁面阻力系数的计算方法。通过与Myers的试验资料进行对比,表明了本文给出的公式适用范围大、计算方法简单、精度高。     

坡面植被水流水动力学特性研究

本实验为人工水草模拟植被覆盖条件下的坡面流水动力学特性研究,以水力学和流体力学基本理论为依据,通过室内定床阻力模拟放水实验,定量的研究了植被覆盖度为9.3%(2500簇/m2)的工况下,不同坡度和流量组合对植被水流各水动力学参数的影响。结果表明:坡面植被水流平均流速随坡度和流量的增大呈递增趋势,可用线性函数或幂函数关系模拟,且线性关系优于幂函数关系;植被坡面流平均水深与流量和坡度之间也存在着显著的线性关系和幂函数关系;植被坡面流的佛汝德数随流量的增加而减小、随坡度的增加而增大,并呈现出一定的幂函数关系,但佛汝德数主要受坡度的控制,流量对佛汝德数的影响很小;阻力系数随雷诺数的变化规律呈单驼峰形式,本实验条件下,在雷诺数为1500~2000时达到最大值,当雷诺数大于2000时,随雷诺数的增加阻力系数反而减小,最后逐渐趋于稳定,可见两者之间并非呈简单的递增或递减关系。     

排水系统中雨水检查井局部水头损失分析北大核心CSCD

在对排水系统中的排水管道进行设计时,除沿程水头损失外,局部水头损失也会在特定情况下占比较大,同样不可忽略。为此,根据排水管道及雨水检查井模型的试验数据,计算了不同工况下雨水检查井的局部水头损失系数,并对计算结果进行了分析。分析结果表明:雨水检查井主支管流量比对局部水头损失系数的影响较大,为主要影响因素。随流量比的增加,局部水头损失系数增幅可达1.2;雨水检查井形状及主支管接合角度为非主要影响因素,二者对局部水头损失系数的影响均小于0.2,下游水深及出流总流量对雨水检查井局部水头损失系数几乎不产生影响;所得结果与已有成果的对比分析表明,设置对称侧支管可减小雨水检查井的局部水头损失。该结果有助于深入认识雨水检查井局部水头损失的变化特点,为实际工程中优化城市排水系统设计、完善城市洪水管理方案提供计算依据。     

反坡段对侧式进/出水口水力特性影响研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口,因进/出水口底高程低于库底高程,进/出水口与库区设反坡明渠连接,反坡坡比的大小将影响进出水口水力特性。目前缺乏反坡坡比建议值指导进/出水口设计,本文通过数值模拟研究了6种不同坡比1:1 ~ 1:6对进出水口水力特性的影响。结果表明,对于进/出水口水头损失系数、拦污栅断面流速分布只有在进流工况下坡比对两者存在一定影响。对于进/出水口流态,进流工况,各坡比在进/出水口内部调整段上方均形成了一定高度的回流区,坡比越小,回流区面积比也越小,当坡比小于1:3时,明渠反坡段未出现回流。出流工况,各坡比中、边孔均在反坡段上方出现回流现象,边孔回流区长度模数大于中孔,并且坡比越小,回流区长度模数越大。同时随着坡比由1:1到1:6逐渐减小,平台段水流向库区扩散更加均匀。反坡坡比范围在1:3 ~ 1:4时,进/出水口可以获得较好的水力特性。     

空气的压缩性对湍流边界层流场时均量的影响

为研究空气的压缩性对湍流边界层流场时均量的影响,对来流Mach数(Ma)分别为0.058、0.233、0.466、0.874和1.457的二维、定常边界层湍流流场进行了数值模拟计算。结果表明:空气的压缩性对速度边界层和温度边界层粘性底层区速度和温度分布影响较小,但会使完全湍流区速度和速度梯度、温度和温度梯度变大;对分子扩散过程影响极小,而对湍流扩散过程影响较大;当局部Reynolds数大于1×106且来流Ma大于0.466时,使得平板局部摩擦阻力系数较不可压缩态变小,而局部传热系数较不可压缩态变大。比较模拟计算结果和不可压缩态下经验公式的计算结果表明,模拟计算结果真实可靠。     

梯形明渠–马蹄形隧洞过渡段流动形态与局部水头损失研究

本文以新疆克拉玛依引水工程西干渠为背景,通过物理模型试验研究了从梯形明渠到马蹄形隧洞进口过渡段的水面衔接特点和局部水头损失规律。模型采用重力相似设计,比尺为1∶25,由有机玻璃制成。在试验过程中,测量了流量在3.88~17.05 L/s范围内水面线的纵向变化,发现当流量大于13.37 L/s时,洞口水面壅高,洞内存在水面波动,分析认为是由侧壁收缩引起的水面紊动所致。根据水深变化和平均流速计算得到过渡段局部水头损失,发现其随水面收缩角增加呈先减小后增大的趋势,进口过渡段局部水头损失系数为0.19~1.24。针对原模型试验发现的问题,模型试验中延长了过渡段,对扭曲面段、矩形段长度进行了优化。模型改进后,水流平稳,波动减弱,局部水头损失系数减小至0.05~0.82。试验结果为实际工程梯形明渠到无压隧洞的过渡段设计提供了依据。     

轴流泵出水管断面水流能量测定研究

由于受出流环量和出水弯管的影响,轴流泵出水管内为非对称的复杂螺旋流.测量出水管断面水流压力和三维流速分布,分析常规方法测定断面水流能量误差较大的原因,提出利用五孔探针准确测定断面水流全压分布、积分平均计算断面单位能量的方法.以此水泵出流能量计算水泵扬程、水泵效率和出水管水力损失更为准确.