突扩突跌侧空腔掺气水力特性大涡模拟

基于模型试验和大涡模拟紊流模型及具有自由面追踪功能的VOF单流体模型,对中闸室出口处突扩突跌掺气设施侧空腔长度和侧墙上的水力特性进行了试验和数值模拟研究。试验与数值模拟结果表明：大涡模拟可以更为精细地揭示近壁水流特性。本文的掺气设施可形成较长的侧空腔,水流与侧墙接触后侧墙上未见负压区存在,水流对侧墙的动态冲击会在靠近侧墙的下游水流中形成大量气泡;较大的水翅不利于侧空腔的掺气,并会引起下游水流产生不利的流态。     

小底坡泄洪洞突扩突跌掺气坎水力特性

小底坡条件下,在高水头有压弧形门后采用突扩突跌体型兼作掺气措施使用时,掺气空腔容易积水,而且主流水舌受侧墙挤压后越出水面,形成较高折冲水翅现象。采用流动特征分析与模型试验相结合的方法,认为空腔积水及折冲水翅的主要原因是两个"积水源"和一个"退水机制",强调了使射流冲击角最小化对空腔稳定及消除水翅问题起关键作用。在试验结构优化及对比分析的基础上,给出一种局部变坡消退空腔积水及改善折冲水翅的方法,同时探讨了底空腔及侧空腔的相互关系以及掺气效果的影响因素。结合具体工程,验证了优化体型沿程掺气浓度及对运行水头的适应能力。     

高水头冲沙放空洞边墙空蚀破坏原因探讨

有压接无压突扩突跌掺气设施掺气效果关系到工程泄洪安全.结合工程实例,通过模型试验对突扩突跌掺气水流流态、掺气空腔形态、壁面压力分布及水流空化特性等水力特性进行测试与分析.研究表明,高速水流突扩后冲击渐扩边墙起点附近,水流反射脱离壁面后引起局部压力条件恶化,同时,该处掺气空腔长度不足,边壁掺气浓度偏小,没有很好起到掺气减蚀作用,从而导致边墙空化空蚀发生.研究成果可为工程成功修复提供重要参考.     

高水头弧形闸门突扩跌坎及掺气设施体型研究与工程实践

随着水电工程的泄水孔道设计向高水头方向发展,采用突扩跌坎弧形门布置方式可以较好的解决高水头弧形闸门的止水安全等问题;但结合掺气减蚀设施布置的突扩跌坎具有不同于一般闸门孔口的水力特性,一些工程出现了原因各异的破坏现象。通过对国内外部分采用突扩跌坎布置的泄水孔道体型参数以及运用情况的分析,对水布垭面板堆石坝高水头放空洞突扩跌坎及掺气设施进行了综合选型,并进行了水力学模型试验,研究了突扩跌坎闸门区的水力特性、空化特性及水流掺气特性,分析了530m长的高速明流洞只设一道掺气设施的可行性。经过原型工程长时间、超高水头的泄洪考验,放空洞突扩跌坎闸门区与高速明流洞均无空蚀现象,表明水布垭面板堆石坝高水头放空洞弧形闸门突扩跌坎掺气设施选型以及在530m长的高速明流洞只布置一道掺气设施研究取得了成功,可供同类高水头泄水建筑物设计时参考。     

吉林台水电站泄洪洞突扩掺气体型的试验研究

吉林台深孔泄洪洞模型试验，通过对偏心铰弧门突扩掺气体型水流流态、空腔特性及其对掺气量的影响、侧壁压力分布等进行观测，对突扩掺气体型水力特性进行研究，并对其空化特性进行分析。     

洗涤冷却室液池内气液流动特性的模拟研究

为了更好地揭示水煤浆气化炉洗涤冷却室内合成气体穿越液池的多相流动特性,运用流体体积模型对顶部浸没气体射流过程进行了动态模拟,详尽分析了在不同气流速度和不同突扩比下的流场形态、演化过程以及该过程的流动特性,并将计算结果与试验结论进行了对比.研究结果表明:该过程是一个突扩的、存在逆压力梯度和负浮力的顶部浸没气体射流流动过程;气体的最大冲击深度与气体出口动量通量之间呈幂函数关系;随着突扩比的减少,合成气对液池内水的扰动加强,液滴和气泡增多,液面升高.计算结果与试验结果一致.     

非对称入口条件下突扩流动的数值模拟

为了研究非线性所引起的流动多解性现象,采用流甬数方程,对平面二维突扩流动进行数值模拟.控制方程离散时对流项取迎风格式.求解离散方程采用松弛因子为0.4的显式迭代,取得满意的效果.经检验,与Durst F等人的实验结果吻合良好.通过对突扩前断面非对称突扩流动情况进行数值计算,结果表明突扩后流动是否产生偏转主要取决于雷诺数的大小.如Re=10时,流动对称;Re=56时流动基本对称;Re=114时流动明显偏转.如若发生偏转,其方向是随机的,取决于迭代顺序及初值的给定情况.由此证实了非对称突扩流动情况下多解的存在,同时也进一步检验了所提出的数值模拟方法的有效性.     

高水头大流量泄洪洞侧壁掺气设施水力特性研究

本文利用模型试验方法,对高水头大流量泄洪洞高流速明流洞段边墙掺气设施的水力特性开展了系统研究。在分析侧壁掺气效果的影响因素及下游边墙水翅成因的基础上,提出了两种防水翅侧坎体型,该体型通过控制侧空腔长度沿水深方向的变化,在保证掺气效果的同时能有效抑制侧墙水翅的形成。研究还表明,设置侧壁掺气设施一般会影响底部掺气效果,应对掺气底坎和侧坎进行整体优化。最后,基于对侧坎水力特性的综合分析,提出了侧壁掺气设施体型设计原则及优化方法。     

空化区圆柱突体空化特性的研究

通过空泡与空泡运动方程的研究,建立了水流空化区能量守恒方程,理论上对两种不同流速下圆柱突体诱导的空化区中空化特性进行了数值分析.试验在直流式水洞中进行,圆柱突体高为5mm,底部直径为6mm,掺气孔径为5mm.结果表明:同一流速下空泡半径随着掺气浓度的增加而减小;流速越高,掺气浓度越大,空泡半径越小.同一流速下空化数随掺气浓度的增加而增大;低流速下空化数最大值远大于高流速下空化数最大值,试验数据与理论吻合较好.     

突扩管道流动加速腐蚀模拟研究

本文利用Fluent软件模拟突扩管下游的流场分布情况,通过改变入口流速和管道突扩比,得到不同条件下管道下游传质系数的分布规律;基于建立的数学模型,得到突扩管下游的传质系数、腐蚀速率与入口流速、管道突扩比之间的关系。结果表明:入口流速一定时,突扩管下游的传质系数和腐蚀速率随着突扩比的增大呈增大趋势,并且峰值位置均向流动方向偏移;突扩比一定时,突扩管下游的传质系数和腐蚀速率随着流速的增大而增大,峰值位置向流动方向移动;模拟结果和实验结果基本吻合。     

高拱坝分层多股射流水垫塘冲击压强研究

针对表孔采用宽尾墩深孔采用窄缝坎新型消能形式,利用物理模型试验研究表深孔联合泄洪形成的分层多股射流在不同流量比情况下对水垫塘底板的动水冲击压强特性的影响。建立了表深孔流量比对水垫塘底板的动水冲击压强变化的关系,实验证实了上游水股产生的水垫对下游水股冲击压强确实具有减小的作用,水垫塘内流态稳定,消能充分,深孔射流产生的最大冲击压强随着表深孔射流流量比的逐渐增大而减小。该研究可为实际工程中合理确定分层多股射流流量比提供参考依据,为峡谷区高坝工程的坝身泄洪消能布置及水垫塘的抗冲防护和结构稳定性分析提供有力科学依据。     

低气压环境中的挑流水舌动水压强实验研究

随着我国高坝建设的发展，西部高海拔地区低气压环境下的高速水流特性对高原建坝提出了新的挑战。本文采用实验的方法来研究环境气压变化对水舌挑距和水垫塘内动水压力特性的影响，为高海拔地区建坝提供技术指导。研究发现减压使水垫塘中的动水压强增大，气压降低10 kPa，时均压强最大可达3.9%，脉动压强最大可达5.5%；同时在低气压环境中水舌的挑距受到水舌在空中掺气扩散的影响，由于模型和原型相似律的原因，空气阻力对水舌挑距的影响在模型和原型中有所不同，但环境气压降低，空气密度和空气阻力减小，水舌在空中的掺气也会减少，即水舌扩散程度降低，低气压下水舌更加集中。     

水下自激吸气式射流装置流动特性及性能研究

运用欧拉气液两相流模型和RNG k-?湍流模型,对水下自激吸气式射流装置水气两相流动特性进行数值模拟,研究了装置吸气和不吸气条件下内部压力分布、水气两相流速分布以及水气混合过程;开展了装置射流冲击性能试验,分析了装置的冲击力和冲蚀效果的变化规律。研究结果表明:与不吸气相比,装置吸气后内部压力接近大气压;吸气后射流核长度和下喷嘴出口断面流速明显大于不吸气;水气完全混合后,在射流核两侧的漩涡区,气相浓度较高,从射流核到漩涡区气相浓度逐渐增大;装置计算吸气量、典型测点压力与试验结果吻合较好;不同围压和靶距下,装置吸气后靶心及附近位置冲击力明显高于不吸气,说明了装置产生了聚能效应;装置吸气后冲蚀深度和冲蚀体积明显大于不吸气,但冲蚀表面积略有下降。     

低压空气电弧动态特性仿真及分析

在计算流体动力学（CFD）商用软件包二次开发的基础上针对低压断路器简化灭弧室,采用磁流体动力学（MHD）理论建立了三维电弧仿真模型.仿真计算结果描述了电弧弧柱收缩、等离了体喷流和电弧形态等相关现象,研究发现磁场、出气口面积的增大可加速电弧运动,但出气口面积到达一定程度后,其大小变化对电弧运动的影响很小,而栅片的存在则对灭弧室气流具有一定阻挡作用.电弧运动的实验结果验证了仿真模型的合理性.     

变电站绝缘子干冰清洗方形喷嘴流场模拟研究

喷嘴是干冰清洗系统中的关键部件之一,喷嘴结构及气流超音速自由喷流流场对清洗效果有很大的影响.通过Fluent软件,针对不同尺寸的喷嘴结构建立模型及进行仿真处理,模拟研究得到了方形喷嘴内部气体和唢出喷嘴气体的压力场及速度场.研究结果表明：气体射流在喷嘴出口处的压力远大于大气压,气体在喷嘴出口处产生了欠膨胀超音速气流,同时气体射流在周围环境中发生了激波现象.增加喷嘴尺寸,气体射流在环境中的速度衰减变缓,激波传输距离有所增加,从而使气体射流的稳定性降低.因此,在需要提高清洗效果、增加清洗面积时,可适当选用大尺寸的喷嘴.     

宽尾墩后接阶梯溢流坝面水工设施的研究

将宽尾墩安置在阶梯溢流坝上游形成一种新的水工设施,它兼有宽尾墩和阶梯溢流坝面的特点,比纯阶梯坝单宽流量可增大数倍。由于在阶梯面与挑射水流之间形成气体空腔,可实现充分掺气。本文对其进行了数值模拟,采用了双孔方案。虽然网格数增加了一倍,但比单孔而言流场更加完整。通过数值模拟得到的墩后水翅、阶梯面挑射水舌和掺气腔体等,与实验观测到的现象吻合。介绍了复杂水工建筑物的网格生成方法。本文的研究成果可以为设计提供参考依据。     

进口形式对浅水垫消力池水跃特性的影响

针对泸定水电站3#消力池出口边界不对称的特点,通过单体局部模型试验对三种不同进口衔接形式的浅水垫消力池内的水跃形态进行了对比分析。研究结果表明,消力池进口形式对水垫深度影响较大,直接决定了水跃是否能够形成及其稳定性。多级台阶进口最适用于入池主流能够充分靠近底部又能保证一定水垫深度情况,在水流入池角度较小时主流远离池底水垫厚度过大时,则容易形成面流流态;圆弧进口可以将入池水流导向池底,但进口扩散段在出口不对称性和尾坎的顶冲反射作用影响下,导致水垫厚度不均匀,从而产生不稳定斜向水跃,同时影响边墙的稳定性;采用一定长度的等宽圆弧进口则可使得池内水跃流态稳定,消能效果良好。因此,浅水垫消力池要充分发挥其优势,在实际应用时需重视进口形式的设计,以形成合适的浅水垫。     

明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究北大核心CSCD

明渠自掺气现象常见于水利工程,当水流流速较高时,空气在较大的紊动作用下会扩散至水槽底部形成明渠完全掺气水流,水流掺气对水力特性有较大影响。目前对掺气的研究大多通过模型试验,而模型试验又存在难以忽略的缩尺效应。本文采用混合模型、紊流模型和浓度方程建立了一套水气二相流数值模型,利用有限差分方法进行离散求解。采用明渠自掺气试验对该数值模型进行验证,掺气浓度和水流流速的数值模拟结果与试验数据吻合良好,说明本文建立的数值模型能有效地模拟明渠完全掺气水流水力特性。进一步研究发现,对于明渠完全掺气水流,掺入水体的空气受强烈紊动作用可以到达水槽底部,使得壁面对掺气水流阻力作用减小,造成掺气水流流速明显大于相应非掺气水流流速。     

高拱坝表孔宽尾墩水力特性试验研究

采用模型试验方法,对宽尾墩消能工应用于高拱坝表孔后,其下泄水流流态、泄流能力、水垫塘流态及水垫塘底板冲击动压等水流特性进行了研究。结果表明：高拱坝表孔宽尾墩流道内存在自由跌流、急流冲击波及缓流三种流态;当处于急流冲击波流态时,其下泄水舌呈窄而高且长的窄长流态,水舌纵向扩散效果明显,并且宽尾墩体型几何参数变化不会影响其泄流能力;水垫塘底板最大时均冲击动压值随着堰顶水头的增高而增大,随着宽尾墩收缩比的增加而增大,随着墩尾折角的增大而减小,随着坝面倾角的增大而减小。