基于BIM+数值模拟的弧形闸门结构性能分析研究

【目的】溢洪道泄洪是一个复杂的水气交换物理过程,在溢洪道泄洪中弧形闸门发挥着十分重要的作用,泄洪过程中弧形闸门受到水体流激振动导致受力不均匀,造成弧形闸门应力应变计算困难。针对不同开度下水流对表孔弧形闸门结构受力情况,【方法】以某水电站溢洪道弧形闸门为例,采用BIM技术建立弧形闸门和流场计算域模型,通过BIM技术与有限元数值模拟间数据交互建立三维有限元模型,采用Fluent、Static Structural进行网格划分并对不同开度下溢洪道过闸流量和弧形闸门受力情况进行数值模拟,分析溢洪道过闸流量和弧形闸门应力、应变变化规律。【结果】结果显示：过闸流量在误差允许范围之内,闸门应力、应变随开度的不断增加逐渐减小,在闸门开启瞬间产生最大等效应力值为142.2 MPa,最大变形值为3.45 mm;采用BIM技术对弧形闸门进行性能分析,提高数值分析效率,并将数值分析得到的水力信息进行处理赋予BIM结构模型中。【结论】研究表明：BIM技术结合数值模拟技术可以进行水工钢结构性能分析,实现BIM平台与CAE有限元平台数据双向交互,拓宽了BIM技术在水工钢结构性能分析中应用研究。     

察汗乌苏溢洪道流场二维和三维数值模拟对比

为了选择较为理想的研究溢洪道水流特性的数学模型,结合察汗乌苏水电站工程实例,利用数学模拟对其溢洪道流场的水流特性分别进行了二维和三维模拟,分析其可行性和存在的问题。采用标准的k~ε紊流模型描述水流流动、VOF模型跟踪水流自由表面,得到水深、流速和压力等一系列水力要素计算值,并将他与物理模型试验数据对比验证,结果基本吻合。分析研究表明:二维模拟完全满足溢洪道挑流鼻坎段前的水力特性研究需求,如若重点关注挑流鼻坎段水力要素特性,则建议使用三维数值模拟。     

变坡溢洪道模型试验及数值研究

变坡溢洪道内水流流态和衔接形式复杂,为论证该溢洪道设计的合理性,采用物理模型试验和三维紊流数值模拟相结合的方法,对流态、水面线、流速、压力及空化特性等水力学参数进行对比分析,进而对进口体型、堰面曲线及陡坡变缓坡等设计进行了评价。试验结果和数值计算结果吻合良好,表明溢洪道进口流态良好,进水顺畅,无壅水跌水情况,且堰面未出现负压,说明溢洪道进口形状和堰型选择合理;溢洪道各段内水面衔接光滑,流速分布合理,底板各处空化特性良好,说明溢洪道底坡设计合理。     

三溪浦水库组合结构型式溢洪道水工模型试验研究

浙江省鄞州区三溪浦水库为一座中型水库,溢洪道采用开敞式布置,溢流堰由正堰和侧堰组成,进口结构型式及水流条件复杂,理论计算较难把握。为验证维修加固工程溢洪道水力计算的合理性,按SL 253—2000《溢洪道设计规范》要求进行了模型试验研究。通过各工况下过流能力、水流流态、压力分布、流速分布、水流空化数等方面的综合分析研究,率定出了较为翔实可靠的流量系数、泄槽边墙高度、明渠底坡等设计参数,为优化调整设计和今后水库科学调度提供了可靠依据。     

多孔溢洪道泄流三维数值模拟

为了充分体现闸墩对过坝水流的影响，采用有限体积法对含多个孔和多个闸墩的溢洪道进行了水流的三维数值模拟，采用k-ε紊流模型，利用VOF方法处理自由水面，给出了泄流能力、水面线和压力分布。数值模拟结果与模型试验结果对比表明，使用的模型能精确的模拟溢洪道的过坝水流。计算发现，溢洪道不同孔由于受闸墩、边墩等的影响，过坝水流的水面线、坝面压力有着一定的差异，从而为溢洪道的水力设计提供可靠的设计依据。     

基于有限体积法研究溢洪道水流最佳湍流模型

反弧形溢洪道是用于控制洪水的最重要的结构。随着计算机科学和各种计算流体动力学软件的发展,极大实现了在费用较低的同时,能在较短的时间内对反弧形溢洪道的特性进行研究。利用数值计算方法和Fluent软件分析了不同参数对反弧形溢洪道溢流的影响。基于Gauss-Seidel收敛条件,用0.01 s的步长进行方程的收敛和控制。结果表明,采用RNG k-ε湍流模型,可以提高溢洪道溢流计算结果的准确性。该方法的相对误差为9.687,表明该方法具有较高的精度。而SPSS软件的决策准则（P-value）约为0.000 006,远低于0.05,因此可以认为此数值研究具有较高的精度。数值模型与Flow-3D软件及其他数值和实验室方法的结果对比表明,该方法具有较高的精度。     

多弯道溢洪道水力特性研究

溢洪道是水利枢纽中一种重要的泄水建筑物。在工程设计中,常因地质、地形等条件的限制,而把平面布置设计成单弯道、双弯道甚至多弯道的形式。由于惯性离心力和大坡降的共同作用,常会产生弯道急流冲击波,水流水力特性极为复杂。针对多弯道溢洪道的水力水流特性,结合龙屯水库溢洪道的工程实践进行了水工模型试验,得到了不同工况下的溢流堰泄流量、水面线、断面流速、消能率及沿程压力分布,并对溢洪道水流流态存在的问题进行了分析。     

侧槽洞式溢洪道水工模型试验及设计优化研究

通过侧槽洞式溢洪道水工模型试验,研究了贵州新华大沟水库工程溢洪道的水流流态、泄流能力、动水压力特性及下泄水流消能效果等。试验结果表明溢洪道调整段流态紊乱、溢流堰泄流量超泄过多、下泄水流造成下游河床冲刷严重,通过增加挡水墙、调整消力池底板高程等优化措施,提出了相应的优化布置方案,既满足设计要求,也为其他工程提供参考和借鉴。     

反弧阶梯溢洪道水力特性

为提高大单宽流量阶梯溢洪道消能率和增加掺气,提出一种新型反弧阶梯溢洪道,即将传统直角阶梯的水平面改为反弧面。通过物理模型试验,对反弧形阶梯的流态、掺气发生位置和消能率进行了研究。结果表明,在试验条件范围内,反弧阶梯流态可分为跌落流、挑射流、过渡流、滑行流4 种,在单个阶梯长度和高度相同时,反弧阶梯掺气发生位置是直角阶梯的0. 5 ~0. 8 倍,反弧阶梯消能率比直角阶梯最大增加约9%。     

阶梯溢洪道水力模型研究介绍

一、工程简况 蒙格斯威尔(Monksvill)大坝是美国温拿格(Wanaque)南部工程的一部分,该坝在规划设计时,选用了一种阶梯溢洪道。这种溢洪道是对美国水道试验站(WES)的自由溢流反弧形溢洪道标准断面进行改进,沿标准反弧形溢流面的堰顶下端至坝趾的溢流面上,开挖成连续的阶梯。这种阶梯大大地增加了溢流面上的水流消能率,因此可以省去或大大减少在坝趾处修建消力设备的工程量。由于这种溢洪道的特性在过去还没有得到广泛地研究,所以工程设计者们(O’Brinen和Gere工程师等)与美国水力协会、福利兹(Fritz)工程试验室、李海大学等进行合作,对该工程的设计方案进行水力模型研究。     

三峡船闸末级闸首超长泄廊道中阀门水力学关键问题研究（1）——正常开启过程的阀门水动力学特性

利用物理模型试验和数学模型计算，分析了三峡船闸末级闸首泄水廊道中阀门在正常开启过程中，阀门人面的水流流态特征，阐述了非恒定流条件下的阀门段廊道水流压力、阀门启门力和阀门段空化特性，确定了反向弧形门各开度下的临界空化数。     

露顶式弧形闸门安全运行探讨

弧形闸门是我国最常用的一种门型，广泛应用在水利水电工程的溢洪道、拦河闸及泄洪洞上，甩以调节流量。它具有运行灵活、所需启闭力较小、水利学条件较好等优点。长期以来，我国在弧形闸门设计、制造、安装、运行等方面积累了不少经验，技术水平有很大提高，但是却未能完全避免某些工程中露顶式弧形闸门的破坏。据不完全统计，建国以来发生20余起，其中包括我省磐石县黄河水库溢洪道弧形闸门。当然造成这些破坏的原因是多方面的，本文预从设计、运行等方面探讨弧门安全运行问题，供读者分析参考。1设置事故闸门按照以往设计经验和习惯，露…     

三峡船闸末级闸首超长泄水廊道中阀门

利用物理模型试验和数学模型计算，分析了三峡船闸末级闸首泄水廊道中阀门在正常开启过程中，阀门段的水流流态特征，阐述了非恒定流条件下的阀门段廊道水流压力、阀门启门力和阀门段空化特性，确定了反向弧形门各开度下的临界空化数.     

三峡工程大江截流水流数学模型计算

本文采用有限体积法对长江三峡大江截流期间上、下游围堰附近的河道水流建立了数学模型，井利用压力校正法求解数学模型。通过数学模型计算，本文获得了截流期间两级设计流量(Q=14000m3／s和Q=19400M3／s)下，上、下游龙口宽度发生变化时．坝区附近水域内流态的变化情况．得到了龙口附近的水流参数(如流速、上下游水位落差、龙口处流态分布及导流明槊的分流比等)．井且把这两套设计方案的计算结果与长江水利委员会所做的物理模型试验结果加以比较、验证。结合大江截流的实际水流条件．本文还进行了相应的水流计算．从而利用实测值进一步验证了已建水谎数学模型的可靠性。     

U形溢洪道的水力设计

Ｕ形溢洪道侧槽的三个边都布置溢流堰，是侧槽式溢洪道的一种特殊形式，与一般侧槽式溢洪道相比，在同样的侧槽平面尺寸条件下，溢流堰长度可以增加一倍以上，因而使溢流堰单宽流量减小，侧槽中的水流条件亦有所改善。本文结合一个工程实例，阐述Ｕ形溢洪道水力设计方法，并用该工程的水工模型试验资料进行了验证。     

沟水坡水库溢洪道弯道水流数值模拟

溢洪道是确保水库安全的“太平门”,水库工程的关键组成部分，其设计和布置合理与否，直接影响到水工建筑物的安全。为了验证沟水坡水库溢洪道除险加固方案设计合理性和优化的可能性，基于沟水坡水库溢洪道模型试验水面线实测数据，采用CFD数值仿真方法，结合VOF水气两相流模型和RNG湍流模型，对不同工况洪水下沟水坡水库溢洪道水面线进行模拟，模拟结果与沟水坡水库溢洪道模型试验实测数据吻合较好，验证了数值仿真具有较高的精度。在此基础上，对不同工况下沟水坡水库两级跌水消能段的水位流量关系、水流流态等水力特性进行模拟，分析原设计方案存在的问题，进一步提出优化方案，为后期工程除险加固提供了重要参考。     

高摩赞大坝溢洪道水力设计

高摩赞大坝枢纽工程溢洪道具有水头高、河谷窄、流量大等特点。本文介绍了窄河谷高坝溢洪道的布置、体型、泄流能力、高速水流、窄缝式消能工等设计过程,通过模型试验结果对比．为高坝溢洪道的设计提供设计参考。     

水电站溢洪道空化数分布及抗空蚀措施分析

水电站溢洪道的空蚀现象严重威胁其正常运行。以重庆某水电站溢洪道为研究对象,通过理论分析与物理模型试验相结合的方法,分析溢洪道底板空化数分布以及空蚀特性。在此基础上,提出了打磨边壁、增加溢洪道宽度以及采用掺气的方法来控制空蚀。从试验结果来看,采用改进方案后溢洪道内水流流态改善,空化数显著降低,可为同类工程提供借鉴与参考。     

邕宁水利枢纽一期临时土石围堰数值模拟研究

南宁市邕宁水利枢纽工程位于邕江干流,一期临时土石围堰施工是保证右岸一期全年土石围堰工程施工的关键重点工程。为了解决临时土石围堰的合龙位置、束窄河床通航等问题,采用三维数值模拟和物理模型试验方法对其施工期水流进行了深入研究。首先,用ＣＡＴＩＡ建立了河道地形和围堰三维几何模型,基于ＲＮＧκ－ε紊流模型及ＴｒｕＶＯＦ追踪水流自由表面的方法,用ＦＬＯＷ3Ｄ计算了设计挡水流量下围堰中间合龙和围堰挡水典型工况的水流特性,并与物理模型试验成果进行了对比,验证了计算方案的正确性;其次,计算了设计挡水流量下靠上游合龙、靠下游合龙其他工况的水流特性,并进行了综合比较,提出了最佳合龙位置为纵向围堰中部;第三,选取四种流量进行了水流特性计算,分析了束窄河床关键通航水力学指标,结果表明,在一期临时土石围堰挡水期内满足通航要求。     

磨盘山水库溢洪道地基的防渗与排水设计

对水流渗入溢洪道建筑物地基的可能途径进行分析 ,在工程设计中针对工程中的渗透水流情况加以控制 ,设计该工程的合理的防渗和排水系统。文章介绍了磨盘山水库溢洪道地基防渗排水系统的设计。