老龙口水利枢纽鱼道水力特性研究

为了解老龙口水利枢纽工程的竖缝与堰组合式鱼道的水力特性,采用RNGκ-ε湍流模型和VOF方法对该鱼道的水流结构特性及池室内主流、流速和紊动能进行了分析。结果表明,鱼道内水流结构稳定,竖缝处流速小于设计流速2.0m/s,且主流衰减明显,消能效果良好;同时兼具竖缝式和溢流堰式的特点,适合喜好各种水层的鱼类通过,尤其对喜跳跃鱼类非常有利,能满足过鱼对象的需求。     

横隔板式鱼道水力特性数值模拟研究

为改善堤、坝等阻碍鱼类洄游的现状应用了鱼道、鱼闸等过鱼设施,采用RNG κ-ε湍流模型和有限差分法对兴隆水利枢纽工程鱼道进行了数值模拟,分析了淹没孔口式横隔板鱼道的流态和紊动能,研究了过鱼池和休息池的水力特性。结果表明,淹没孔口式横隔板鱼道的孔口水流具有固定特性,紊动能的分布空间较广,消能效果较好。过鱼池和休息池内水流的流态较稳定,能满足过鱼对象的需求。     

基于三种湍流模型的竖缝式鱼道水力特性研究

为研究不同湍流模型对竖缝式鱼道数值模拟的适用性和准确度,采用RNGκ-ε模型、大涡模拟(LES)模型及分离涡(DES)模型3种湍流模型对某竖缝式鱼道进行数值模拟,并对比分析了模拟的竖缝式鱼道流态特征、流速及湍动能等水力指标值与实测数据。结果表明,3种模型均可较为准确地解析鱼道池室流态特性,其中DES模型最能反映竖缝式鱼道的流态、流速分布;综合模拟成本后,RNGκ-ε模型在湍动能模拟方面较其他两个瞬时模型具有优势。因此,鱼道数值模拟在不追求较高精度流场特征的要求下,应优先选用RNGκ-ε模型。研究结果可为今后数值模拟在鱼道工程的应用提供参考。     

多折回通道型同侧竖缝式鱼道水力特性试验探究

为提高多折回通道型同侧竖缝式鱼道的消能作用、降低竖缝流速,以利于鱼道过鱼,在设计工况下通过模型试验研究其水力特性。试验分析了设计工况下鱼道典型部位的流态、水面线分布以及竖缝表面和底部流速的沿程分布情况,总结了多折回通道型鱼道在不同通道区段竖缝流速的沿程分布规律。结果表明,设计工况下竖缝流速在通道一、三中沿程变化较小,通道二中下降稍快,流速大小均在0.7~0.9m/s的较高水平。针对竖缝流速大于过鱼喜好流速的问题,提出了加糙鱼道边壁的优化设计方案。对比优化前后的流速分布可知,边壁加糙措施有效降低了鱼道竖缝流速大小。试验研究成果可为类似工程提供借鉴。     

异侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟

竖缝式鱼道因其能够适应不同水位变化、消能效果明显、水流流态稳定等特点而逐渐引起水利工程界的重视。通过数值模拟的方法探究了池室长宽比对异侧式竖缝鱼道水力特性的影响，结果表明，池室长宽比的变化对单位体积耗散率影响较小；主流区沿程衰减率先随池室长宽比的增大而增大，后保持不变。池室长宽比越大，池室内最大流速越靠近竖缝处；不同池室长宽比，池室主流流速与池室最大流速(主流流速沿程变化最大值)比值在一定范围内。池室长宽比L/B在1.00～1.13之间，可在鱼道主流区内获得较好的水流流态、较大的回流区及较好的消能效果，有利于研究区内鱼类的洄游。     

同侧竖缝式鱼道水力特性数值模拟

针对竖缝式鱼道水力特性较复杂的特点,采用雷诺应力方程模型对同侧竖缝式鱼道池内的水流进行了二维数值模拟,并将数值模拟结果与物理模型试验结果进行了对比,验证了数值模型的正确性。进而建立了水池长宽比分别为5∶8、10∶8、12∶8三种鱼道模型,分别对底坡为1%、3%、5%三种条件下的鱼道水力特性进行了数值计算,得到了水流型态和竖缝最大流速、流速场、紊动能、雷诺应力等水流物理参数的分布规律。     

貊皮岭鱼道池室水流条件模型试验研究

鉴于貊皮岭鱼道为融入技术型鱼道特征的特殊仿自然鱼道,建立了物理模型对貊皮岭鱼道在不同隔墙布置条件下的池室水流条件进行模拟分析,分析了池室的流速分布、流态及沿程水深分布情况。结果表明,设有底孔的竖缝式隔墙布置型式的水流条件较为多样化,存在较为合理的大流速区和小流速区,水流条件最佳;针对进鱼口水流条件在个别工况流速偏小的情况,提出了鱼道进鱼口补水布置方案,能够达到更好的诱鱼效果。     

交错蛮石墙式仿自然鱼道水力学特性研究

根据某工程特点和过鱼要求,提出了三种不同的结构方案,采用标准三维紊流数学模型对比分析了三种方案的水力学特性,并用模型试验对数值模拟结果进行验证。对流场、过鱼适宜性空间和紊动能的分析研究表明,在单级池室中主流流速有先减小再增大的趋势,最大流速出现在长蛮石墙附近;主流两侧的低流速区紊动能范围为0~0.02m~2/s~2,能够形成紊动能较弱的鱼类休息区;同等长宽比时,增加底宽主流最大流速减小0.1~0.2m/s,低流速区面积相对增加5%~8%;同等长宽比和底宽时,鱼道出口的两级池室改为平坡,紊动能减小0.01m~2/s~2。研究结果为交错蛮石墙式仿自然鱼道在实际工程中的应用提供了参考。     

同侧竖缝式鱼道水力特性研究

以辽宁省三湾水利枢纽鱼道工程为例,针对同侧竖缝式鱼道水力特性,采用模型试验研究了同侧竖缝式鱼道的主流曲线、主流速度沿程变化规律及竖缝位置流速变化规律,鱼道模型的比尺按1∶5设计,考虑3种底坡、3种典型流量,选取2个水深,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量流速。结果表明,同侧竖缝式鱼道主流曲线呈反S型,主流速度沿程变化规律为先增大再减小,竖缝位置的流速从水面至底部变化规律呈先增大再减小再增大的变化趋势,最大流速靠近竖缝底部。     

基于竖缝式鱼道的鱼类上溯试验研究

为分析影响鱼类上溯的影响因素，基于竖缝式鱼道对19～27 cm体长范围内的鲫鱼开展连续上溯试验。通过物理模型和数值模拟相结合的方法，对鲫鱼上溯过程的位置与数值模拟得到池室内部的流速场和紊动能叠加分析，得到鲫鱼上溯所喜好的流速范围。试验结果表明，体长为19～27 cm的鲫鱼上溯所喜好的池室流速范围为0.091～0.524 m/s,试验中水流的紊动能最大值为0.035 6 m²/s²,小于0.050 m²/s²,属于低紊动能区，适合鱼类上溯，鱼类在上溯过程中会寻找流速和紊动能低的地方进行上溯。研究成果可为其他鱼类上溯提供参考。     

齐口裂腹鱼对大坝下游流态的响应及近坝区上溯路线预测

以大渡河枕头坝水电站为例,依据齐口裂腹鱼的洄游水力学特性,通过RNGκ-ε紊流模型和VOF自由液面处理的三维紊流数值模拟来研究不同工况下的流态。基于齐口裂腹鱼对不同流态的响应关系,预测了近坝区的上溯洄游路线。结果表明,枕头坝下游齐口裂腹鱼的洄游路线在两种典型工况下各有左右岸2条,两种工况下鱼类均能顺利的洄游到坝前位置,鱼道进口位置均处在两种工况下的洄游路线1上;#1和#2鱼道进口水流紊动过大,建议在#1和#2鱼道进口增设补水设施,塑造较强的吸引流条件,吸引鱼类识别并进入鱼道进口。     

SIMULATION OF SWIRLING TURBULENT FLOWS AND HEAT TRANSFER IN AN ANNULAR DUCT

The article presents a numerical simulation of swirling turbulent flows and heat transfer in an annular duct. The time-averaged governing equations are solved, which are closed by a new algebraic Reynolds stress model (ASM). The simulation is performed under different flow conditions. The calculated results of gas axial and tangential velocities, turbulent kinetic energy, temperature, and local heat transfer coefficients on the inner and outer walls of the annulus are provided. They illustrate the effect of swirl number, inlet axial velocity, and ratio of inner to outer radius on the mean flow and turbulence properties, as well as on enhancing heat transfer in the annular duct.     

高水位变幅鱼道进口布置水力学试验研究

天然河道近岸带一般存在可供鱼类上溯的低流速区,原始条件下该区域的位置会随着水位涨落而发生改变,但在岸边布置鱼道后,水流往往被束缚在鱼道一侧,低水位时的低流速区在高水位条件下可能不复存在,当水位变动较大时,这种现象尤为明显。对于高水位变幅鱼道工程,顺岸分散布置进鱼口很难实现在不同运行水位条件下均有较好的诱鱼水力条件。为此,通过对某水电站鱼道进口布置进行优化试验研究,提出了一种适用于高水位变幅鱼道的进口布置方式,解决了不同运行水位条件下进鱼口附近均有较佳诱鱼水力条件的问题,可为相关工程设计提供参考。     

Analysis of tracer particle migration in inhomogeneous turbulence

Previous studies [J.M. Maclnnes, F.V. Bracco, Stochastic particle dispersion modeling and the tracer particle limit, Physics of Fluids A 4 (1992) 2809–2824; X.Q. Chen, Heavy particle dispersion in inhomogeneous, anisotropic, turbulence flows, International Journal of Multiphase Flow 26 (2000) 635–661; T.L. Bocksell, E. Loth, Random walk models for particle diffusion in free-shear flows, AIAA Journal 29 (2001) 1086–1096] have shown that the commonly applied stochastic separated flow (SSF) model predicts unphysical results when dealing with the dispersion of tracer particles in inhomogeneous flows. This problem is explored, with regards to the discontinuous random walk model, by considering an idealized flow with constant mean velocity with two regions of constant turbulent kinetic energy. Using the probability density functions (PDFs) for the turbulent velocities it is shown that there is a higher probability of particles traveling into the low kinetic energy region than there are traveling to the region of high kinetic energy, thus resulting in a net migration of particles to the region of low kinetic energy. Corrections that apply a correction velocity and/or adjust the fluctuating velocity based on the local value of the turbulent kinetic energy are analyzed and tested.     

山区河流阶梯—深潭结构水力特征数值模拟

为了探究阶梯—深潭结构在不同流量工况下的消能机理,采用紊流数值模拟方法分析研究了阶梯—深潭结构紊动能、紊动能耗散率、流场结构、潭底压力强度等主要水力参数。结果表明,随着流量的增大,平均紊动能耗散率不及平均紊动能增加速率快,验证了阶梯—深潭随着流量的增加消能率会有所下降;小流量工况下深潭内环流区明显,增大了水流滞留潭区时间,能量耗散效果较优;大流量工况下流量的增加促使结构发生自适应调整,水深加大,形成水垫及漩滚耗能,水流阻力增大且维持潭底压差分布趋于平稳,削弱了主流对河床的直接冲刷,有利于河床稳定。     

植被群落作用下河道水流紊动能分布

植被广泛存在于自然河道中,对河流水流特性产生一定影响。利用交错排列的竹签模拟非淹没的刚性植被群落,通过水槽试验,探讨了单个植被群落对水流紊动能分布的影响。结果表明:纵向、横向和垂向三个方向的紊动能分布受到植被群落不同程度的影响,尤其是纵向上紊动能分布在植被群落下游变化较大,呈现两个峰值;植被群落下游靠近植被群落处,横向上紊动能分布为水槽中心附近最大,向两侧逐渐减小,在水槽中心紊动能沿垂向均显著增加。     

植被群落作用下河道水流紊动能分布

植被广泛存在于自然河道中,对河流水流特性产生一定影响。利用交错排列的竹签模拟非淹没的刚性植被群落,通过水槽试验,探讨了单个植被群落对水流紊动能分布的影响。结果表明：纵向、横向和垂向三个方向的紊动能分布受到植被群落不同程度的影响,尤其是纵向上紊动能分布在植被群落下游变化较大,呈现两个峰值;植被群落下游靠近植被群落处,横向上紊动能分布为水槽中心附近最大,向两侧逐渐减小,在水槽中心紊动能沿垂向均显著增加。     

合成气低旋流燃烧器设计与流动结构的分析

设计了一个合成气低旋流燃烧器,采用PIV技术对不同负荷下的冷态流场进行了测量,并比较分析了不同中心射流流速对旋流流场的影响.结果表明:流场中出现中心回流区时的旋流数与中心流速无关,高旋流与低旋流的分界点为S＝0.7;流场中的轴向速度、径向速度和湍动能均关于燃烧器中心轴线对称;中心轴线上无量纲轴向速度的分布与中心射流流速(负荷)无关,燃烧器出口下游形成一个发散低速区,有利于稳定充分燃烧;随中心射流速度的增大,径向速度成正比增大,湍动能明显增加.     

基于OpenFOAM的旋转管道螺旋流水力特性数值研究

为进一步深入研究旋转管道产生的螺旋流对流场水力特性的影响,基于开源软件OpenFOAM,构建了水箱-管道出流气液两相流数值计算模型,模拟了竖直管、55°和45°螺旋管三种情况下的水流运动过程,通过分析、比较选定断面处速度分布、断面平均压强、湍动能随时间及空间位置的变化,总结了螺旋流对水平管段水力特性的影响。结果表明,相较于直管道,两组螺旋管道使水平管段螺旋流湍动能明显减小,压强变化趋于平缓不易产生负压,且管道内断面流速分布更加均匀。