基于耗散粒子动力学的剪切流中黏性沙絮凝机理研究

基于介观尺度下的耗散粒子动力学方法,建立了包含力场势函数的均匀各向同性紊流模型,对不同剪切率条件下黏性泥沙的絮凝过程及絮团形态进行了模拟计算。结果表明:随着剪切率的增大,体系中絮团初始出现的时间先急剧减小,后经短暂平稳过渡,又迅速增大,最后基本保持不变;水体剪切率较小时,非键能减小速度较快,随着剪切率进一步增大,非键能减小速度逐渐变缓,体系稳定性逐渐降低;当剪切率较小时,絮团形态更为致密,分形维数逐渐增大;随着剪切率的进一步增大,伴随有多个小絮团出现,分形维数逐渐减小,最终保持在1.12左右;在紊动剪切条件下,体系中絮团一直处于碰撞、絮凝、破碎的动态过程。     

基于FLOW-3D的水垫塘底板脉动压力数值模拟

水垫塘底板作为下游河床的防护结构,承受着高速水流的持续冲击,脉动压力是引起其冲刷破坏的主要因素。基于FLOW-3D软件,采用RNGk-ε紊流模型和VOF法对某高拱坝水垫塘底板脉动压力进行了数值模拟,得到了动水压力的时均值、脉动压强系数、概率密度分布和功率谱密度。通过物理模型试验结果验证表明,模拟计算值与物理模型实测值吻合较好,说明数值模拟方法可以应用于脉动压力研究。     

基于双流体模型的三维溃坝洪水模拟

在溃坝洪水模拟中,泥沙因素的影响不可忽略。针对坝体溃决中的水沙流动,溃口采用DAMBRK模型中的概化梯形模型,通过欧拉模型即双流体模型成功模拟了溃坝洪水中的悬移质泥沙颗粒。对比来流分别为清水和含悬移质泥沙的水沙流、在下游有村庄阻水和无阻水情况下坝面剪切力的大小,证明悬移质泥沙加快了坝体溃决,下游阻水建筑物对水沙流的破坏有抑制作用,最后给出了河道中泥沙的淤积分布情况。所有模拟结果均符合实际溃坝规律和环境。     

Image-pro plus软件在泥沙絮凝体结构特征分析中的应用

利用Image-pro plus图像处理软件,分析研究了絮凝体SEM图像,提取了絮凝体外形尺寸及絮凝体内孔隙直径、孔隙率、孔隙比等特征,分析了这些特征与泥沙浓度及絮凝剂浓度的关系。结果表明:采用Image-pro plus软件处理得到的絮凝体结构特征的变化规律与现有结论基本一致,絮凝体沉速随着絮凝体孔隙比的增大而减小,证明了Image-pro plus软件应用于分析絮凝体SEM图像的可行性。     

五圆弧平底蛋形断面隧洞临界水深的简易算法

五圆弧平底蛋形断面隧洞具有结构相对简单、断面形状尺寸容易控制和易于施工的特点,是工程中较常采用的水工隧洞断面形式之一,但其断面临界水深计算公式复杂,且为分段的超越方程,在求解过程中计算繁琐,无法直接给出解析解。为此,本文计算了五圆弧平底蛋形断面的水力要素,得到3种典型断面的过水断面面积和水面宽度计算公式,并对临界水深的基本计算公式进行简单的数学变换,对无量纲临界水深和无量纲参数的关系进行研究分析,利用优化拟合理论,在工程适用的范围内推导了3种典型五圆弧平底蛋形断面临界水深的直接简易计算公式,并进行了精度分析。结果表明:公式计算误差绝对值的最大值小于0.24%,且大部分区域相对误差在0.1%内正负波动,完全满足实际工程的精度需求。     

任意坡面上均匀沙起动概率及起动流速的计算公式

基于概率统计理论,引入泥沙颗粒组成及相对暴露度产生的附加质量力,得到了任意坡面上泥沙起动概率的计算公式;并将其引入到泥沙起动研究中,从理论上推导出了任意坡面上近底作用流速及垂线平均流速公式;此外,公式还可以进一步简化为弯道岸坡、顺直岸坡、正负坡以及平坡条件下的泥沙起动流速公式。通过任意坡、弯道岸坡等条件下的实测资料验证,本文公式计算值与实测数据符合较好,可应用于任意条件下泥沙起动流速的计算。     

三元流作用下斜坡上散粒体泥沙起动条件探讨

泥沙起动规律的研究在理论分析上和实际应用中均具有重大意义。通过对斜坡上单颗粒散粒体泥沙进行三维受力分析,从理论上建立了包含有相对速度及脉动速度的泥沙颗粒滑动起动模型,直接量化了相对速度及脉动速度对单颗粒泥沙起动的影响,进而得到了斜坡上泥沙颗粒滑动起动条件及跃移条件。讨论了不同主流方向条件下相对速度及脉动速度的大小,得到了泥沙加速度公式,直观地反映了泥沙颗粒运动速度与加速度的相互影响、相互制约的关系。     

泥沙不同起动模式的起动概率对比分析

基于颗粒间相对暴露度的分布规律,确定了河床近底水流流速有效作用点高度yb和近底时均流速。在此基础上,分别比较了滚动模式、滑动模式和跃移模式下泥沙临界起动平衡条件,推导出了三种起动模式下的起动概率。经分析发现:在床面泥沙颗粒处于相对暴露度均值为0.16状态下及同样的水流条件下,泥沙滑动模式和滚动模式起动概率处于同一量级,滑动模式更容易起动,跃移模式最难起动;当水流强度较小时,泥沙颗粒以滚动(间或滑动)模式起动为主,反之,以跃移模式起动为主。     

虹吸井和排水口泄流三维数值模拟及堰型优化

采用k-ε湍流模型封闭Reynods方程及VOF法追踪自由水面,对南迪普火电厂虹吸井和排水口的排水过程进行了三维数值模拟,其结果与模型试验结果吻合良好,表明三维数学模型用于虹吸井和排水口泄流模拟是可行的。在此基础上,针对原设计方案虹吸井溢流堰泄流偏于一侧、流速分布不均匀等缺点,分析了迷宫堰取代原方案折型堰后的流态,经三维数值模拟验证,迷宫堰堰上过流量及堰后流速分布基本均匀对称,是一种较为理想的堰型。     

甘肃文县横丹水电站引水防沙试验研究

低水头水电站库小沙多,泥沙问题严重,引水防沙是该类电站需要解决的关键技术。以横丹水电站为例,通过模型试验,对原方案引水防沙设施存在的问题进行了观测分析,并经多方案试验比较,对水电站取水口拦排沙设施进行了优化完善。经优化后,电站在正常引水防沙和泄空冲刷运行的试验表明:采取合理、有效的工程设施,取水工程可以达到良好的引水防沙效果,完全满足工程规划设计要求。此外,通过对水电站的运行方式和排沙效果进行分析,得到了水库最优冲刷流量。其工程经验可供同类工程参考。