平面二维数学模型在洪水影响评价中的应用

文章采用河道平面二维数学模型,对铜陵市第五水厂取水工程建设前后的河道水流流速、水位、流场的变化情况进行模拟和计算,分析工程建设对项目区河道防洪的影响.计算结果显示,工程前后局部流场没有发生明显变化,主流走向稳定.总体看,工程建设不会对长江行洪造成明显不利影响.河道平面二维水流数学模型可准确模拟工程河段水流运动,对工程前后河道水位、流速、流场变化等提供较为可靠的数据支持.     

窄深矩形断面明渠流速分布的研究

建立了一个三维紊流数学模型,对实际灌区中的窄深矩形断面明渠水流的流速分布进行了数值模拟.计算结果与实测结果符合得较好,表明数学模型及参数是合理可靠的. 运用该模型,对2种底坡、2种糙率以及3种宽深比组合情况下的窄深矩形断面明渠水流的流速分布进行了数值模拟,得出了窄深矩形断面明渠垂线流速分布律和垂线平均流速横向分布律,并应用实测资料验证了上述流速分布律. 结果表明,在明渠底部内区流速分布能很好地符合对数分布律,但在明渠外区流速分布则符合抛物线分布,垂线平均流速沿横向的分布接近于幂函数分布,给出的断面流速分布经验公式具有很好的精度.     

感潮河道平面二维水流数学模型建立与验证

水流受潮汐影响明显的地区,在径流和潮流的共同作用下水流、泥沙的运动规律十分复杂。文中采用不规则三角形单元计算网格,运用有限元理论的数值计算方法,建立起二维水流数学模型。根据实测地形、水文资料,将所建模型应用于福建省闽江下游感潮河道淮安-亭江河段,对该河道的水流运动状况进行了模拟,并通过实测潮位和流速验证,结果表明模型能很好再现在径流和潮汐双重作用下的水流运动特征,模型的精度能满足工程实践的要求。本研究成果为后期进行泥沙数值模拟和航道整治工程数值模型研究提供了良好的基础。     

桐子林导流明渠体型优化数值模拟研究

针对大单宽流量导流明渠体型优化难度高,下游消能防冲设计困难,物理模型难以详细测量水流流态和冲刷特性等主要问题,采用紊流数学模型方法对不同体型明渠水流流动和下游天然河道流场进行了3维数值模拟.结果表明,计算值与试验值吻合良好.通过对比3种体型下明渠的流速分布特性和冲刷特性,获得了模型试验难以测量的流场详细信息,为明渠的体型优化提供了重要参考.研究表明,将数值模拟技术应用于导流明渠的体型优化研究中具有独特优势.     

溢流堰水流的三维模拟

工程上溢流堰的过流能力以及堰面压强分布的确定多采用水工模型试验.利用三维的流动数学模型、k-ε模型封闭紊流、VOF方法追踪自由表面,对过堰流动进行了数值模拟.与模型试验结果对比表明,数值模拟方法是可行的.     

高坝过鱼设施集诱鱼进口水力学条件数值模拟与模型试验研究

集诱鱼设施是高坝过鱼设施的关键组成部分,其进口位置的水力学条件决定了过鱼设施的过鱼效率。为了寻找河道中满足集诱鱼设施进口水力学条件的区域,本文以某高坝工程为例,根据相关调查结果,确定了7种过鱼对象,提出了集诱鱼进口所需要满足的2种水力学条件,即流速范围为0.41～1.00 m/s,紊动能范围为0～0.04 m~2/s~2。采用标准k-ε紊流模型和VOF方法追踪自由液面,对过鱼季节不同机组运行条件下尾水下游1 km河道范围进行了3维紊流数值模拟,来研究河道中紊动能和流速的空间分布,并通过比尺为1:50的物理模型试验验证了数值模拟的合理性。结果表明,不同机组运行条件下主流靠左岸一侧均存在上溯通道,河道左岸紊动能均小于0.04 m~2/s~2;从流速分布来看,满足流速条件的区域面积分别为35 732、22 659、12 201 m~2;在河道左岸存在面积为1 354 m2的区域在不同机组运行条件下能够同时满足紊动能和流速2种水力学条件,该区域能产生良好的集诱鱼水流,集诱鱼效果较好,即集诱鱼进口适宜布置该区域内。     

基于FLUENT软件的闸后水跃二维数值模拟

采用标准k～ε湍流模型封闭Reynolds方程作为紊流控制方程组,用几何重构VOF法追踪自由表面,流场计算用PISO算法,对闸后水跃强紊流区流速场进行了数值模拟;将数值模拟结果与实测结果进行比较,表明它具有可行性与实用性。     

基于VOF法长陡坡排水隧洞三维数值模拟

针对工程实践中某长陡坡排水隧洞的3种设计方案,即长直陡坡式、台阶陡坡式、环形堰竖井式,其流场特性、消能效果等依据经验公式法计算困难,建立了RNGk-ε双方程紊流数学模型,应用VOF法处理水气两相流自由液面,以结构化网格和非结构化网格相结合的形式进行网格剖分,采用标准壁面函数法求解水流近壁区流速,展开了多工况三维数值模拟研究.得到并分析了不同计算工况排水隧洞水流基本形态、泄流能力、消能效果、压力分布等,最终比选出台阶陡坡式方案为该排水隧洞的最佳设计方案,后期应针对性地对其合理性进行物理模型试验验证.利用CFD数值模拟法解决工程实际问题的同时,也为水利水电工程中大流量冲沟排水问题的研究提供了参考和依据.     

立面二维水流数学模型

采用修正Ｋ—ε模型封闭Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程作为紊流控制方程,引入通度概念处理曲面不规则边界,用ＶＯＦ法追踪自由表面,对闸孔出流和溢流坝过坝水流及水跃等一类复杂流速场进行数值模拟。计算结果表明,所建数学模型能够较好地模拟此类水流现象。     

高流速放空洞阶梯消能特性数值模拟

综合考虑阶梯布置型式、长度,利用3D紊流数值模拟方法,采用VOF方法跟踪自由水面,结合卡基娃放空洞工程的水力学模型试验,对放空洞泄槽段中布置不同型式和长度的阶梯方案,进行了数值模拟研究.研究结果表明,合理的阶梯型式和布设长度,可以改善水流流态,改善沿程的水流压力,显著降低阶梯下游水流流速,消能率随着阶梯布设长度的增加呈非线性增加,采用变长度和变坡型式的阶梯能更快地提高阶梯消能的效果.     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。     

无粘性土堤漫顶溃决溃口区域水力参数变化过程数模研究

结合物理模型试验建立平面二维水流数学模型,采用高分辨率有限体积格式计算漫顶溃堤洪水演进过程,并针对不同时段溃口形态建立三维几何模型进行水力参数变化规律数值模拟.研究结果发现,堤防溃决属溯源冲刷,与流速密切相关;溃决过程外江水位平稳下降,内江水位先上升后逐渐稳定,内外江水位差随溃口展宽逐渐减小;壁面剪切应力及动水压力较大区域集中在溃口内江侧与河底连接处,且随溃决过程逐渐减小.     

钢包浇注过程的数学物理模拟

采用CFD商用软件FLUENT,选取VOF气-液两相流模型和标准k-ε湍流模型对60 t钢包浇注过程进行了数值模拟和物理模拟,利用水口流量和液面高度随时间的变化曲线分析了浇注过程中旋涡的产生及变化规律,得到了产生旋涡时自由液面的速度场,并与水模拟实验结果进行了比较.研究结果表明,水口直径及其水口位置对旋涡影响的数值计算结果与物理实验的结果吻合较好.VOF模型对于该过程的模拟是合理的和可行的.     

低压铸造充型过程的数值模拟技术

论述了低压铸造充型模拟的数学模型,由于低压铸造充填速度较慢、充型平稳,因此充型计算采用层流模型。采用SOLA-VOF算法对模型进行求解,其中SOLA法用于求解流体的速度场和压力场,VOF法用于处理自由表面。采用UG软件进行铸件三维造型,采用ProCAST软件进行网格划分,对叶轮的充型过程进行了模拟,并通过对叶轮的浇注试验,验证了低压铸造充型的数学模型及算法在保证模拟精度、提高计算效率上的有效性。     

浅水流动环境中垂向缝隙射流的数值模拟

为探求浅水流动环境中缝隙射流的流动规律,提出射流的影响范围公式与流动转变条件.应用体积率（VOF）方法跟踪处理自由水面,利用重组化群（RNG）紊动动能-紊动耗散率（k-ε）模型,对浅水流动环境中垂向缝隙射流进行数值模拟.研究流速分布和自由水面位置,对比数值模拟与物理模型试验结果,分析流动转变条件.结果表明,计算结果与试验结果吻合较好,射流出口断面垂向流速分布符合半无限域中射流流速的衰减规律,流速场分布及自由水面位置在小流速比、临界流速比及大流速比下存在不同特性,自由水面隆起高度和流速比、水深比有关,射流对上游的影响距离随流速比增大而增大.     

长江天兴洲河段平面二维流场数值模拟

应用正交曲线坐标系下的二维水深平均数学模型对长江天兴洲河段流场进行了数值模拟,计算出的沿程水位、断面垂线平均流速分布与实测资料较为一致.计算中采用了四边形插值方法以快速生成计算网格的河底高程数据,并利用AutoCAD的数据接口生成河底三维地形图和彩色流速分布图以进行直观分析.     

液滴喷射过程中碰撞的形态及流场模拟分析

利用VOF方法建立单个液滴与基板发生碰撞沉积变形的模型,分别对液滴的运动、射流、弛豫和浸润等4个阶段形态变化进行了分析。对模拟结果分析发现:液滴碰撞速度越大,射流能达到的铺展半径越大,液滴最后平衡所用的时间也越长,但速度太大可能导致在浸润阶段液滴回缩时形成中间空缺的现象。模拟结果与照片相符合,说明文中研究方法可行。对液滴铺展达到最大半径、平衡态半径的模拟值和计算值进行比较,二者的误差很小。液滴流场的变化是决定其形态变化的本质,通过对模拟得到的液滴内部流场进行分析,流场变化和液滴4个阶段的形态变化完全一致,从液滴内部掌握了其变形机理。     

轴流式止回阀的流动场协同分析与减阻设计

为了分析轴流式止回阀流阻性能,探究阀内结构优化设计方法,引入场协同原理,将该原理从层流推广至湍流.利用Fluent软件对2种不同型号（优化前、后）阀门的内流场进行数值模拟和流动场协同分析,得到压降、流速分布、流动场协同角余弦值分布和有效黏性系数.结果表明：优化后阀内流体的速度场与速度梯度场整体上的协同程度更差,有效黏性系数更小,减阻效果明显,能耗降低;通过对比分析流速分布和流动场协同角余弦值分布,还能从局部流动场协同的角度揭示流阻的变化机理.基于流动场协同原理在流动减阻研究中的优势,提出2种阀结构优化设计的思路.     

坝前区域3维水温数值模拟研究

为避免大型水库低温下泄对下游水生生物或灌区农作物造成不利影响,准确预测水库的坝前水温分布十分必要。为此,采用三维水温紊流数学模型,以横向平均的二维水温模型的计算结果作为三维模型的入流边界条件和初始条件,以已建成的二滩水库坝前1km范围内的水体为研究对象,进行了三维水温的数值模拟验证。将模拟计算的水温结果与实测的水温结果进行了对比分析,结果表明采用本文提出的方法能够较好地模拟坝前深水库区的水体水温分层流动和进水口前的水体流动特性。     

排放角度对平面负浮力射流的影响及射流远区特性分析

采用κ-ε湍流模型和混合有限分析算法,对静止环境中多排放角度的平面负浮力射流进行了数值模拟,分析了射流角度和出口密度弗汝德数对负浮力射流特征量的影响,给出了考虑排放角度的最大上升高度计算公式.分析了垂直射流的远区特性,高密度流体以异重流形式向下游流动.