异侧布置缝-孔-堰组合式鱼道紊流结构试验研究

我国沿海沿江洄游性鱼类众多,单一式鱼道难以满足鱼类不同溯游习性的要求。迄今,人们对单一式鱼道研究较多,而对组合式鱼道仅限于数值模拟工作,试验研究几乎是空白。本文对凹口堰-矩形中孔-竖缝组合式鱼道的紊流结构进行了较为系统的试验研究。采用声学多普勒测速仪（ADV）量测了鱼道水池内各点的三维瞬时流速,分析了组合式鱼道的流动特征、时均流速、紊动强度、雷诺应力、频谱特性、相关函数及紊动尺度。试验研究结果表明：与单一式鱼道比较,组合式鱼道水流具有显著的三维流动结构;纵向流速在水平面上存在明显峰值区,横向流速和垂向流速显示在横断面上存在旋涡区;在竖缝壁面射流与孔口射流汇聚区,纵向、横向及垂向紊动强度均较大,合并后则逐渐减小;雷诺应力峰值区主要出现在多股射流交汇区;纵向脉动能量主频峰值大小为孔口>凹口堰>竖缝;纵向脉动流速表现出随时间的相关性,并有凹口堰>孔口>竖缝,且沿程波动周期延长;积分尺度和微分尺度显示涡旋结构与组合式鱼道的流区有关。     

三峡水库库区上段水流特性分析

三峡水库的蓄水运用,使其河道型库区内水流有了明显的壅水型非均匀流特征,其流态的改变显著影响着泥沙输移和洪水传播特性。采取专门实测资料,分析库区上段的三维流速及紊动强度沿垂线的分布特征。结果表明:三峡水库上段纵向流速沿垂线分布基本符合对数流速分布公式,横向流速分布受地形影响较大,垂向流速明显,且方向一般向下;沿程各断面纵向、横向及垂向水流相对紊动强度分布比较均匀,尤其是垂向水流紊动强度沿程随着壅水程度的增大有增大的趋势。壅水型非均匀流在垂向流速及垂向紊动强度的分布特点,将给库区泥沙运动、尤其是悬移质含沙量沿垂线分布带来明显影响。     

斜向射流入水垫塘淹没射流区的紊动特性

采用粒子成像测速技术(PIV),获得了水垫塘冲击射流全域瞬时精细流场,在此基础上,对淹没射流区的流速分布规律和水流紊动特征进行了系统研究。结果表明:淹没射流区射流横向断面的流速、紊动强度分布呈自相似分布规律;在射流纵向,射流轴线最大流速随着流程增加而呈-1次幂规律减小,射流半扩展宽度和紊动强度则随流程增加而线性增大;并提出了描述淹没射流区射流横向断面流速、紊动强度分布规律的方程,同时得到淹没射流区射流纵向上流速、半扩展宽度和紊动强度沿流程变化的计算公式。     

三角孔多孔板下游空化流场的PIV剖析

采用粒子图像测速仪(PIV)对不同类型的三角形孔口多孔板下游空化流场的流动特性进行了量测,分析了孔口大小(边长a=2.6 mm,4.0 mm,5.1 mm和6.7 mm)、孔口数量(n=9,16,25和64)和孔口排列(棋盘式和交错式)对多孔板下游时均流速、紊动强度及紊动切应力分布的影响。结果表明,多孔板下游的时均流速、紊动强度及紊动切应力呈现不同程度的锯齿状分布,适当地缩小孔口、增加孔口数量,并将孔口布置为交错式排列有利于多孔板下游水流的掺混、紊动和剪切作用;在试验设计的不同规格三角形孔口多孔板中,孔口边长a=4.0 mm、孔口数量n=25且孔口为交错式排列的多孔板下游空化流场的流速梯度最大、紊动剪切作用最为剧烈。     

桥墩局部冲刷三维地形及水流结构特性试验研究

本文开展不同水流条件下单、双墩绕流冲刷试验,基于SFM方法实现冲刷地形三维重构,并使用粒子图像测速技术获取桥墩绕流二维流场,定量分析水流结构与冲刷地形之间耦合关系。结果表明：（1）通过运动摄像重构技术可实现冲刷地形三维重构,冲刷坑为不规则倒置圆锥体,模型前方及两侧冲刷深度最大,后方呈凸起形态。（2）随水流强度增大,坑深与坑径均线性增大,坑后沙堆长度与高度均增大,沙丘“尾鳍”夹角减小。冲刷坑面积与体积均随水流强度增大而增大,且随坑深增大呈开口向上抛物线趋势增大。（3）剪切应力下切作用将形成较深冲刷坑,位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,促进冲刷坑后方倾斜凹槽形成。尾涡分离弱化,挟沙能力降低,桥墩下游出现泥沙堆积。     

麦日水电站引水枢纽下游防冲试验研究

麦日水电站引水枢纽泄流时下游海漫的水流流速较高,下游河道冲刷较为严重,需要采取有效的防护措施。通过水工模型试验,对枢纽工程的泄流能力、护坦末端及下游海漫的流速以及下游河道的冲刷进行了研究。研究表明,枢纽泄流能力满足设计要求,在下游河道铺设四面体防冲区,可以有效地减小下游河道的冲刷,为了节省工程造价,建议防冲区的长度为50 m,宽度从15 m逐渐减小为10 m。     

水流强度对推移质三维运动规律的影响

利用粒子示踪技术对恒定均匀明渠流中的推移质颗粒运动进行了测量,采用了三种比重的试验沙,通过改变沙样粒径及水力比降,得到了10组不同水流强度下粒子的三维运动轨迹,计算了粒子三个方向上的速度分量并对大量颗粒的计算结果进行了统计分析。试验结果表明,推移质颗粒运动的平均纵向速度与颗粒雷诺数成幂函数关系,垂向和横向上则基本为随机运动,没有明显的平均运动趋势;颗粒纵向紊动强度及紊动能量均随Shields数增大而增强,由于比重及粒径尺寸的约束,颗粒纵向和垂向紊动强度在数值上大约为清水的一半。     

下游设有防护坝的浅基桥梁局部冲刷研究

针对桥梁下游设置防护坝后桥墩局部冲刷特点,通过水槽单体模型60多个组次的局部冲刷试验研究,分析了桥墩局部冲刷的机理和影响冲刷深度的因素。系列试验分析表明,在设有防护坝的边界条件下,桥墩局部冲刷既受来流流速、下切涡旋、桥墩形状尺寸、床沙粒径与级配的影响,同时还受防护坝距离与坝顶高程的制约。作者引入"控制底坡"反映防护坝拦沙以及对桥墩防护的影响,在理论推导与量纲分析的基础上,通过多元回归分析,推导出有拦沙坝防护的非均匀沙桥墩局部冲刷计算公式。该公式与实测数据有很好的拟合性,本文提出的最优控制底坡也为浅基桥梁防护工程设计提供了参考依据。     

珠江虎门河口洪季潮流近底边界层水流结构研究

研究河口近底边界层水动力结构对进一步研究河口地区水流能量耗散和物质输运具有重要意义,2006年7月26～28日在珠江虎门口采用ADV、ADP及OBS和CDT组合置底支架观测系统对近底边界层水流、泥沙和温盐度进行了水下定点观测,本文通过分析流速观测数据,对该潮汐河口近底边界层的水流结构、阻力特性和紊动尺度进行研究,结果表明除憩流附近外,近底边界层内时均流速分布均可采用对数剖面,摩阻流速值与时均流速基本成正比,平均摩阻流速为0.014m/s,粗糙长度为0.09mm,切应力梯度为0.426N/m~2·m;脉动流速统计分析结果符合典型潮汐河口底边界层的紊动特点,距床面0.15m处,落急时刻宏尺度紊动的时间尺度和长度尺度分别为3s和0.06m;垂向脉动分速以及瞬时雷诺应力自相关分析表明转流附近时段的湍流主要以低频大尺度紊动为主.测量分析结果可为下一步研究近底边界层泥沙运动提供依据,并为数值模拟计算提供水动力分析条件和特征参数.     

植被群密度对河道水流紊动特性影响的试验研究

为探讨植被群密度对河道水流紊动特性的影响,试验设置了8组不同密度的植被群,用均匀圆柱形竹签模拟非淹没的刚性植被,采用ADV测量三维瞬时流速。通过对比分析,发现植被群下游紊流结构分布有较大变化。在植被群末端,紊动能横向分布随着植被群密度的增大表现为两种形式,低密度时趋向于波峰状,高密度时则在植被群左右两端各有一个波峰;在植被群后紊动能的纵向分布中,沿程表现为“波峰-波谷-波峰”状分布,随着密度的增加,紊动峰值之间的距离缩短,且两个波峰表现出不同的变化趋势。植被群末端紊动增强,在紊动强度的垂向沿程分布中,植被群越密,下游紊动强度的波动越大,并在尾部出现翘曲的现象,当密度达到一定程度时,弯曲度趋于稳定。     

挑流消能冲坑内基岩体的动力分析研究

宏观上挑流消能中下游河床冲刷坑的形成,主要是入射水流的冲击能力与河床基岩的抗冲能力两者相互作用的结果。入射水流是以低频紊动的脉动水流为主,而河床基岩的抗冲能力,主要由岩体的强度及其振动特性确定。一般情况下,下游河床基岩在水流脉动的作用下,发生低应力断裂,最后出穴而去,形成冲坑。     

堆积体对近床面水流紊动强度试验研究

采用声学多普勒流速仪ADV对概化水槽中受堆积体影响河道的流速进行了精细的测量,并将数据代入无量纲化的紊动强度计算公式来分析流量、河道缩窄率、堆积体侧向坡度对河道近床面紊动强度分布的影响。试验结果表明：以堆积体对称轴断面为起点,在下游相对距离0 ~ 1.5断面处,由于堆积体对水流的束窄和突扩作用导致出现水跃,紊动强度波动较大形成强紊动区,且随阻流作用的增加而增加;在相对距离1.5 ~ 4.5断面,由于水流持续扩散导致紊动强度衰减,但左岸受回流影响紊动强度衰减较缓,因此左岸变化率小于右岸,且变化率随阻流作用的增加而增加;在相对距离4.5 ~ 6.5断面,紊动强度逐渐恢复平稳状态且大于相对距离-4.5 ~ 0断面。试验结论揭示了河道中的水流紊动特性及堆积体对河道水流紊动影响的内在机理,加深了对堆积体作用下的水流运动、泥沙冲淤和输移规律及河床演变发展变化的认识,可为研究山区河流受堆积体影响的河道水流紊动特性的数值模拟提供验证资料。     

进水口随机出现的漩涡试验研究

进水口随机出现的漩涡转变为贯通性吸气漩涡时将对工程结构产生危害,但目前对这种随机出现的漩涡的研究很少.本文通过水槽试验,考虑来流边界的时均流速分布、紊动强度、水面波动强度以及进水口周边脉动压力等,对进水口随机出现的吸气漩涡的特征和影响因素进行研究.试验发现,进水口附近水面随机出现的吸气漩涡数量的历时过程具有和紊流相似的"拟序结构"特性.来流边界的水流紊动特性、水面波动以及进水口周边边界的壁压脉动等同步观测分析表明,来流边界的水流紊动显现的水面微波是进水口附近随机出现的漩涡的诱因.     

低弗劳德数水流辅助消能工空蚀问题研究

辅助消能工的空蚀问题是水利工程中重点关注的问题之一。本文针对水利工程中常遇到的消力墩表面空蚀破坏问题进行了试验研究,提出通过两种方法解决空蚀问题:采用消力池+不完全宽尾墩+消力墩联合消能工和圆化消力墩棱角。试验结果表明:采用联合消能工不仅能够减小底流流速、减轻水流对消力墩的冲击力,而且能够提升消力墩表面的空化数、有效提高消能率。适当圆化消力墩棱角可以降低初生空化数;还能减轻紊动、提升空化数,从而提高消力墩的抗空蚀能力。     

进/出水口出流扩散脉动流速规律试验研究

侧式进出水口出流工况水流呈现扩散态,拦污栅断面脉动流速很大,可能危及拦污栅安全,其脉动流速变化规律及产生原因有待进一步探讨。本文建立了典型进出水口试验装置,利用激光多普勒流速仪与声学多普勒流速仪开展试验研究。结果表明：在靠近扩散水流末端的拦污栅断面脉动流速很大,流速脉动值可达时均值的1.8倍,平均紊动强度为0.724,该断面流速脉动呈现出明显的正态性,其概率密度分布基本服从正态分布;水流自输水隧洞段经扩散段、调整段、防涡段、向库区流动的过程中,紊动强度沿程呈现先增大后减小的变化规律,水流在输水隧洞段脉动流速小,在扩散段及调整段内脉动流速沿程均较大,脉动流速值接近时均值,甚至大于时均值,进一步解释了拦污栅断面脉动流速很大的原因。拦污栅断面及进出水口沿程的脉动流速规律有别于对脉动流速的一般认知规律。研究成果将为进出水口体型参数优化及分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。     

多级消能孔板流场的数值模拟

本文采用K-双方程湍流模型,对单级和多级消能孔板流场进行了数值模拟,计算结果与前人的试验资料符合较好。根据计算结果,分析了流场的时均和紊动特性,得到时均和湍流动能的转换和衰减规律,并建议单级和多级孔板的回流区长度计算方法。作者认为,利用孔板形成水流突然扩大,可集中在不长的消能段中将可观的机械能转化为热能,但是由于孔板及其附近承受大幅度的动力作用,因此它的结构强度、稳定性和抗磨抗空蚀的性能是确保泄水建筑物安全运行的关键问题。     

进水口前立轴漩涡区水流流速特性

本文介绍用热膜流速仪对洩水孔进水口前立轴漩涡区的时均、瞬时、脉动流速的量测成果,提出该漩涡区的切向、径向、轴向时均流速分布规律与相应曲线;通过数据处理与分析,归纳出在不同的进水口相对淹没深度H/D和相对水深h/H的情况下,半径为Υ的涡面上三向瞬时流速的概率密度统计值、功率谱、自相关、互相关;最后分析了脉动流速的紊动强度、优势频率及相关特性。     

不同湍流强度下潮流能水轮机尾流特性试验研究

为探究在不同湍流强度下潮流能水轮机的尾流场流速分布和紊动特性,合理布置多机组阵列位置,通过现场模型试验探究了潮流能水轮机在两种湍流强度下的尾流场特性。结果表明:水轮机横向尾流场湍流强度和速度分布沿转轮中心线呈对称分布;水轮机后方1.5D处最大速度损失出现在转轮叶尖位置附近;水轮机后方纵向流场1.5D处,在两种湍流强度下轮毂以上位置的速度分布相似;在转轮中心后方10D位置处,低湍流强度流场速度恢复至初始流速的89.60%而高湍流度流场速度恢复至初始流场的95.22%,高湍流强度流场由于提高其流场的脉动特性而有利于尾流场速度的恢复。研究结果对多机组阵列研究具有一定借鉴意义。     

与宽尾墩联合使用的消力池体型优化研究

与宽尾墩联合使用的消力池体型不同,消力池临底流速就会出现不同的分布规律。通过对工程实际中已经存在的几种消力池体型的分析,借助鲁地拉工程试验模型,对与宽尾墩联合使用的消力池体型进行了探索研究。研究结果表明,坝脚处设置双圆弧嵌槽+池末端复合式尾坎组成的嵌槽式消力池,在保持原传统戽式消力池体型整体水流流态不变的条件下,可以利用双圆弧嵌槽对消力池近底水流进行导向,导向后的水流既减小了消力池水流近底流速,又使近底水流的部分旋滚上移,充分利用了消力池中上部水体的紊动消能作用。实测消力池近底流速减小幅度平均在15%~30%之间。脉动压强的测试分析结果表明,最不利运行工况时,嵌槽对脉动压强均方根的减小有一定效果。     

蒸汽冷却器采用分流孔支撑板的流场特性研究

随着机组蒸汽参数的提高,蒸汽冷却器中蒸汽流速越来越大,对管束的冲刷较严重,且易诱导管束振动导致管束爆管。研究了一种分流孔支撑板结构,通过分流孔支撑板降低蒸汽冲刷管束的流速,使管束区流体分布均匀,减小流动死区。对此分别研究了分流孔通流面积、分流孔位置、支撑板弓形缺口率对管束区流场分布的影响,得到分流孔通流面积比27.8%~38.8%,分流孔位置距离管束区150 mm,支撑板弓形缺口率在40%~50%之间时,管束区流场分布较均匀,流体流动死区少,流体最大流速降幅达9.1%。