乌牛新闸下游冲刷模型试验及经验公式适用性

针对乌牛新闸闸下冲刷问题,建立水闸物理模型并观测闸下冲刷坑的形成及发展过程,研究冲刷坑位置及深度随时间的变化规律,并将试验成果与两种常用的冲刷公式计算结果进行对比分析,探索了冲刷公式在平原地区淤泥土质中的适用性。结果表明:当下游潮位较低时,过闸水流在防冲槽末端形成跌流,水流翻滚剧烈,对下游河道冲刷明显;随着汇合口河道地形的长期冲刷,汇合口附近的水跃逐渐消失;随着时间加长,冲刷坑位置整体有所下移,冲刷深度从快速增大逐渐趋于稳定;在平原地区淤泥土质中,毛昶熙公式计算的闸下最大冲刷深度与试验成果较为一致,具有较好的适用性。     

曹娥江大闸闸上河道水流泥沙冲刷数值模拟计算

采用平面二维水流泥沙数学模型对曹娥江大闸建成后闸上河道冲刷情况进行了计算分析.在验证计算的基础上,对上浦闸至河口段的水流冲刷情况和堤防可能的险工险段进行了预测分析,可供有关单位和部门在设计施工过程中参考使用.     

闸站合建枢纽泵站三维水流的数值模拟

采用雷诺平均纳维—斯托克斯方程(RNAS)和标准k-ε湍流模型,运用SIMPLEC算法,对闸站合建枢纽进行三维湍流数值模拟。根据水流均匀、顺直要求建立目标函数,在流场定性观测与目标函数定量分析的基础上,对各种工程措施进行分析研究,获得较为理想的整流措施,为工程设计提供了指导。     

三维水流数值模拟

本文针对三维水流特性，引入通度概念处理不规则计算边界，用ＶＯＦ法追踪自由表面，采用修正的Ｋ－ε模型封闭Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程，分别计算了溢流坝水流及消力池中水跃．计算结果较好地与实验结果符合．     

三维水流数值模拟研究进展

扼要地介绍了三维水流数值模拟研究的进展，归纳了常见的数值离散方法，给出了数值计算中常见问题的处理方法，指出了数值模拟成果可视化的必要。     

桥台局部冲刷坑内水流运动的三维数值模拟

局部冲刷是河道中丁坝、桥台等破坏的重要因素。这些建筑物周围绕流流场和泥沙运动十分复杂,对冲刷的机理及平衡条件的研究还有待于进一步深入。文中采用k-ε模型对桥台周围平衡冲坑内的流场进行了三维数值模拟,计算结果正确反映了建筑物周围的流速分和紊动动能的分布;根据流场分布分析了冲坑内的旋涡分布规律及其与冲刷的关系,阐述了主旋涡向螺旋旋涡的转化以及冲坑内水流的能量耗散机理。冲坑内的床面切应力的分布反映了床面冲刷平衡条件,数值模拟得到的床面切应力分布表明颗粒运动受到斜坡上重力作用的影响,同时在紊动剧烈的区域还受到旋涡的影响。     

曹娥江大闸围堰工程水流泥沙冲淤数值模拟计算

采用平面二维水流泥沙数学模型计算分析了曹娥江大闸围堰施工期河道冲淤情况.在验证计算的基础上,对围堰工程附近河床冲淤和冲刷防护的预测分析表明,受过流断面缩窄的影响,围堰右侧的曹娥江河道断面将产生冲刷;围堰上下游侧水域靠近曹娥江左岸处的泥沙有所淤积;由围堰引起的泥沙冲淤量和冲淤范围变化不大,仅局限在桑盆殿以下的曹娥汀河道.计算成果已为有关单位在设计施工中参考使用,为施工期围堰堤角的冲刷防护提供了科学依据,也为类似工程建设积累了经验.     

深圳上埔引水口水流三维数值模拟

该文采用三维水流数学模型对深圳上埔引水口设计方案水流状况进行研究，以雷诺方程组为基础，采用刚盖假定、κ-ε紊流模式，结合相关边界条件和初始条件建立了三维数学模型，对上埔引水口的水流状况进行了模拟，给出了进水口流速分布，计算结果与物理模型试验结果吻合。     

曹娥江大闸闸下冲刷水槽试验的研究

通过水槽试验，研究不同闸下淤积面貌及各级流量条件下闸下滩地的冲刷面貌及冲刷时间、冲刷水量。     

潮汐河口闸下风暴潮特征模拟

潮汐河口闸下风暴潮水位对于河道防洪排水至关重要。以苏北里下河主要入海通道射阳河、黄沙河、新洋河和斗龙河等建闸河口为例,采用模型嵌套的方法,以平面二维数学模型模拟了里下河地区“9711”台风风暴潮期间闸下河段的潮汐水流和风暴潮运动过程,研究了闸下风暴潮水位相对河口风暴潮水位的变化特征。模拟结果显示,底摩擦、浅水变形、边界反射等相互作用影响,闸下风暴潮水位和潮汐水位存在一致的变化特性,即高潮位抬升,低潮位下降,潮差(增水)增加;涨潮历时缩短,落潮历时延长;风暴潮水位的变化幅度大于同时期的潮汐水位,风暴潮过程对于闸下排水具有显著影响。在与闸顶高程一致的上游水位条件下,相比天文潮过程,“9711”风暴潮过程可减少闸门过流流量的20%~25%。     

三维过坝水流数值模拟

三维过坝水流是一种具有自由表面的临界流动，即使在势流假设下，因其非线性强，数值求解时也会遇到较大困难，目前尚未见到有效势流解法。本文提出一种正交调和变换法，可方便地采用笔者曾提出的自由表面位移理论，同步解出待定的自由表面位置和未知能头（或流量）。算例表明，该三维过坝水流的计算方法是成功的，计算结果与试验值吻合较好。     

Numerical simulation of turbulent flow behind sluice gate under submerged discharge conditions

The turbulent flow discharging under a sluice gate is one kind of typical flows with complicated boundaries in hydraulic and hydroelectric engineering, and the characteristics of its flow field and flow evolution are important in engineering hydraulics. Although there were many studies in this regard, which mainly focus on the discharge capacity, the local scour and the mean flow field, some issues remain to be further investigated, for example, the variation of the mechanical energy during the scouring process, and the adjustment of the unsteady turbulent flow after the local scour with the downstream steady uniform flow. In this paper, the turbulent flow behind a sluice gate is divided into a rapidly varied flow region and a gradually varied flow region, and the above problems are investigated by theoretical analysis and numerical simulation. The main conclusions are as follows:(1) In the discharging process of the turbulent flow under a sluice gate, the river bed would be scoured continuously and the water–air interface is adjusted accordingly, which leads to a decrease of the mechanical energy of the total flow in the rapidly varied flow region, and the mechanical energy loss would also decrease with the increase of the time, yet the variation of the flow discharge under the sluice gate is very small.(2) In the link between the rapidly varied flow and the uniform flow downstream, the mean wall shear stress and the coefficient for the mechanical energy loss would decrease in the longitudinal direction, the decay of the turbulent kinetic energy near the free surface is much more significant than that near the bed in the longitudinal direction, and the mean turbulent kinetic energy in the section would decrease in the longitudinal direction and the decreasing rate is smaller than that of the mean wall shear stress.     

乌牛新闸消力池设计及水工模型试验

乌牛新闸下游紧接江道,下游引河短、河床高程低、土质差,设计采用水闸设计规范推荐公式计算出挖深式一级消力池的深度和长度。为优化设计,采用水工模型试验的方法对计算的消力池进行了试验,发现一级消力池的实际消能效果较差,优化后推荐两级消力池,其消能效果和出池流速分布得到了明显改善。对整个优化过程作了详细介绍,可供同类工程参考。     

挑坎下游高速掺气水流的数值模拟

应用FLUENT软件及其二次开发技术,采用双流体模型及混合k-ε湍流模型对带有掺气挑坎的陡槽高速掺气水流进行了二维数值模拟。根据掺气水流的特点,重点对相间阻力模型进行了改进,特别在构建相间阻力本构关系式时考虑了湍流扩散的影响。计算结果表明,在相间阻力模型中考虑湍流扩散的影响,可明显改善以往数值计算对水流掺气估算偏低的状况,使掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好,说明湍流扩散对掺气浓度的分布有重要作用。当采用双流体模型模拟掺气水流时,相间作用力模型应考虑湍流扩散的影响。     

低佛劳德数掺气坎空腔回水问题研究

为解决低佛劳德数缓坡泄洪洞掺气坎空腔易发生水流回溯,影响进气的问题,结合大渡河大岗山水电站泄洪洞,采用k-ε紊流模型对连续式掺气坎、连续式掺气坎加局部陡坡以及U型掺气坎加局部陡坡三种体型的掺气坎进行了数值模拟和物理模型试验,结果表明设置U型掺气坎可以有效地抑制水流回溯,稳定掺气空腔,消除空腔内积水,增大气水交界面积,提高掺气效率,而且具有体型简单等优点。     

瓯江口三维潮流和盐度数值模拟研究

环境流体动力学模型(EFDC)集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块一体,可以用于河流、湖泊、水库、湿地和近岸海域一维、二维和三维物理和化学过程的模拟.为了研究多岛屿、地形及流态复杂的瓯江口海区的水动力过程,本文将EFDC模型运用于该海区潮流场和盐度场的数值模拟.对比实测资料校核了模型参数,把模拟结果和实测潮位、流速和盐度进行了比较,吻合较好,并对瓯江口海区的潮流场以及盐度场进行了详细分析,发现近岸和江口及乐清湾大部分区域往复流明显,离岸越远旋转流越明显,河口处盐度在垂线分布上呈强混合型.结果表明:该模式成功复演了瓯江口海区的潮流和盐度变化过程,可以用于模拟和分析河口及近海海域的动力场.     

Numerical modeling of flow and scouring around a cofferdam

When planning river hydraulic structures, the analysis of the hydrodynamic and bed elevation change is of great importance, particularly the assessment of the scour depth around a cofferdam. In this study, the flow field variation and the corresponding scour depth was simulated using two-dimensional hydrodynamic analysis and a bed-load transport model. The hydrodynamic model used the streamlined upwind Petrov–Galerkin (SUPG) finite element scheme to solve the Reynolds-averaged turbulent flow equations. Based on the results of flow field analysis, the bed-load transport model was able to simulate the scour hole development, where it was shown that velocity gradients dramatically increase due to the existence of hydraulic structures. The applicability of the model was tested by simulating the velocity field and bed elevation changes around the cofferdam constructed during the Lock and Dam No. 26 replacement project in the Mississippi River. The model created in this study is able to estimate the maximum scour depth, determine the configuration of the cofferdam to suggest changes to reduce any local scour, and suggest if protection materials around the cofferdam are needed.     

浙江省入海河口建闸对环境的影响

分析浙江省入海河口建闸对环境的影响。结果表明,河口建闸具有防洪御潮、增加可利用水资源量、改善闸内河道通航条件、改善城市水环境景观等正效益,但同时也会带来河口地区河床泥沙淤积、区域排涝能力降低、水质下降、水生态平衡破坏和渔业资源衰退等负效益。建议从减轻入海河口建闸不利影响的角度对不同闸址方案、工程布置以及调度运行方式进行比选,力求入海河口建闸的社会效益、经济效益和环境损失达到最大程度的统一。     

低水头水闸下游消力池长度优化研究

低水头水闸下游消力池的水流条件较复杂,水闸出流条件(自由出流、淹没出流)对闸下游的流态和水跃长度影响较大。通过水力模型试验研究,提出了水闸闸门全开敞泄、宣泄最大流量运行条件的下游消力池长度的计算方法:水闸出流为自由出流时,可按现有的水闸设计规范的方法计算消力池长度;水闸出流为淹没出流时,闸下游水跃长度较短或呈无水跃状态,此时,可采用水闸上游为正常蓄水位、闸门控制下泄最大开度泄量计算消力池长度。研究成果可合理地计算和选取低水头水闸下游消力池长度,在确保工程安全运行的前提下,大大节省工程投资。