X型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能的三维流场数值模拟

宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能是一种新型坝面泄流形式的消能工。由于宽尾墩和阶梯的共同作用，其水流表现为很强的三维特性，水气二相混掺剧烈，目前对其流场的三维数值模拟还未见报道，本文采用双方程紊流模型对X型宽尾墩-阶梯溢流坝联合消能的三维流场进行了全场数值模拟，给出了压力特性、流速分布、阶梯及宽尾墩墩后水气两相流的部分特性，计算结果与模型试验数据对比，两者吻合良好，计算发现，在第一级阶梯脱体处存在负压，随后在试验中得到了验证。研究结果表明，采用X型宽尾墩-阶梯溢流坝联合消能，阶梯坝面上能形成明显的纵、横向旋滚，提高了消能效果。     

宽尾墩一台阶溢流坝三维数值消能流场模拟

宽尾墩一台阶溢流坝消能工是在安康水电站特定的泄洪消能条件下，经过模型试验研究提出的一种先进的消能技术。采用有限体积法离散求解，辅以Realizable κ-ε湍流模型，引入水气两相流的VOF模型，利用几何重建格式非恒定流迭代求解生成自由水面，对几何体型采用结构化和非结构化的网格相结合进行处理，从库区到消力池进行了水气两相流数值模拟。     

宽尾墩-台阶溢流坝三维数值消能流场模拟

宽尾墩-台阶溢流坝消能工是在安康水电站特定的泄洪消能条件下,经过模型试验研究提出的一种先进的消能技术.采用有限体积法离散求解,辅以Realizable κ-ε湍流模型,引入水气两相流的VOF模型,利用几何重建格式非恒定流迭代求解生成自由水面,对几何体型采用结构化和非结构化的网格相结合进行处理,从库区到消力池进行了水气两相流数值模拟.     

X型和Y型宽尾墩水力特性对比研究

为了探求X型宽尾墩与常规Y型宽尾墩水力特性的差别,采用RNGk-ε双方程紊流模型对两种型式的宽尾墩的三维流场特性进行数值计算,模拟结果与试验数据吻合良好,说明模型选用及网格划分合理。比较分析两种墩型水流流动特征、宽尾墩体和下游溢流坝面的压力分布以及闸室出口流速分布发现X型宽尾墩不但具有常规Y型宽尾墩分散水流、增加掺气量和提高消能效率等优点,而且在小流量时可增大泄流能力,特别是在与台阶式坝面联合运行时,还可改善坝面压力分布;其缺点是X型宽尾墩出口处局部出现负压,设计时应给予注意。     

宽尾墩联合底流消能三维数值模拟

宽尾墩和消力池联合消能在水利枢纽工程中已经得到广泛应用,为了进一步研究其消能方式的水力特性,采用RNGκ-ε双方程紊流模型和VOF方法对某表孔泄洪闸的泄洪水流进行三维数值模拟,对宽尾墩表孔泄流能力、水流流态和流速、闸室内水面线、掺气情况等进行了研究,并结合物理模型试验结果对数值模拟结果进行了验证。结果表明,将宽尾墩应用于溢流坝,形成宽尾墩+消力池一体化消能设施,兼有宽尾墩和消力池底流消能的优点,联合消能效果良好。     

宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的紊流数值模拟

宽尾墩 阶梯溢流坝 消力池一体化的坝面泄流形式是我国科技工作者提出的新型水工设施,已在实际工程中有所应用,但缺少数值计算成果。阐述了针对这种极其复杂的坝面形式进行的数值模拟,计算了设计和正常水位条件下的水力特性和宽尾墩进出口处的紊动能以及耗散率,数值计算结果与试验数据基本吻合。数值计算时单宽过量已达141m3/s·m,对宽尾墩 阶梯溢流坝 消力池一体化的方式有必要进行更深入的研究。     

溢流表孔Y型宽尾墩与消力塘联合消能数值模拟

基于果多水电站,采用标准双方程紊流模型,结合VOF模型追踪自由表面,对几何模型进行分区处理及采用非结构化网格进行网格剖分,对Y型宽尾墩窄缝消能与消力塘联合消能泄流场进行了三维数值模拟。通过模拟,得到了泄流场整体流态,并对溢流表孔中线X向和Y向流速分布、消力塘内流速分布、溢流面和消力塘底板的压强分布进行了研究。经2016年4月至2016年11月过流情况的监测,大坝溢流表孔实际水流流态、消力塘水位等特征参数与数值计算结果基本吻合,计算结果较为理想。     

X、Y型宽尾墩水力特性研究

基于重力坝表孔泄洪的水工模型试验,研究了X型宽尾墩和Y型宽尾墩的泄洪流态、底表层流速、压力以及消能率。在不同泄流量以及闸门开度和下游水深的条件下,对不同体型宽尾墩的水力特性进行比较分析。试验结果表明：X型宽尾墩的最大临底流速比Y型宽尾墩小6.9%,X型宽尾墩的最大表层流速比Y型宽尾墩大8.12%,X型宽尾墩的消力池底板最大压力比Y型宽尾墩大43%,Y型宽尾墩的消能效果稍好于X型宽尾墩。     

阶梯溢流坝和宽尾墩及消力池组合消能的水流数值模拟研究

采用两相流模型,辅以Realizable k湍流模型,来模拟阶梯溢流坝和消力池组合以及阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合两种联合消能工的水力特性,获得了流速场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率等物理参量的分布。网格划分采用了分区域划分:模型中任何形状不规则的复杂部分采用非结构网格划分,对形状规则的部分则采用了结构网格划分,并根据流动梯度的大小安排网格的疏密程度。采用有限体积法对控制方程进行离散。采用了VOF法处理自由水面,使用PISO算法求解速度与压力的耦连方程组。比较分析了两种消能工在速度场、压强场、紊动动能及紊动动能耗散率的差异。研究结果表明:受宽尾墩的影响,坝面及消力池中的流速均小于无宽尾墩的情况,而台阶坝面的压强明显高于无宽尾墩的情况;在消力池中紊动动能及其耗散率均大于无宽尾墩的情况。可见,阶梯溢流坝、宽尾墩和消力池组合消能工的消能优于无宽尾墩的情况。     

曲面X型宽尾墩闸室内水力特性模拟研究

为了高精度模拟水流通过水工建筑物时的流场特性,采用CLSVOF法并引入RNGκ～ε紊流模型的新型数值模拟方法,对某水电站曲面X型宽尾墩泄流时的水力特性进行了三维数值模拟研究,获得了宽尾墩闸室内水流流态、水面线、流速、压力等水力参数.数值模拟结果与物理模型试验结果吻合良好,验证了CLS-VOF数值模拟方法的可靠性.     

X型宽尾墩水跃方程的计算方法

由于X型宽尾墩的特殊性,将X型宽尾墩缺口内与缺口以上水流分为2股,并利用动量方程推导得到X型宽尾墩的水跃方程,并将其进行等价数学变换简化计算得到共轭水深比η,而后可得到跃后水深。以索风营、沙陀工程不同工况为例,计算出相应参数,代入简化水跃方程并计算出了共轭水深比η,最后计算得到的跃后水深,并与试验值进行误差分析,结果表明最大相对误差仅为-5.11%。该公式推导正确,理论可靠,计算便捷,首次从理论上提出了一套X型宽尾墩的水力计算方法,为工程设计和科学研究提供理论支撑。     

与宽尾墩联合使用的台阶面水流压强特性研究

 随着RCC筑坝技术的发展,宽尾墩与台阶面联合消能技术已先后在许多工程中得到应用。通过工程原型与模型试验资料的综合分析,对不同体型及使用条件下,与宽尾墩联合使用的台阶内部压强与总体压强分布规律进行了研究。研究结果表明：台阶内部压强分布规律及台阶总体压强分布规律主要与堰面使用的宽尾墩形式有关,台阶坡比对台阶面总体压强影响幅度较小,台阶高度几乎不产生任何影响。     

淹没紊动射流三维流场特性的数值模拟

采用RNGk-ε紊流模型对有限空间的单孔、双孔紊动射流的流场进行了三维数值模拟研究。研究结果表明:无论入流条件如何变化,经无量纲处理后的轴线流速分布曲线几乎都落在同一条无量纲速度分布曲线上,说明流动存在相似性。双孔射流时,流场存在分区结构,在不同的喷嘴间距下,射流的卷吸程度不同,S/D越大,射流之间的卷吸掺混作用越弱。     

斜交桥墩阻水特性数值模拟研究

在桥梁设计中受地形地质、接线等原因影响,桥轴线有时不得不与河道斜交布置,通常情况下桥墩墩轴线与桥轴线垂直布置,受此影响,桥墩墩轴线则与水流流向形成一定夹角α.二维数值模拟研究成果表明,对同尺寸桥墩,α越大则桥墩阻水比随之增大,由此引起的桥墩墩前壅水高度及范围,桥区流速变化幅度及范围、紊流宽度等均相应增大,严重时将直接威...     

X型宽尾墩消力池底板冲击压强规律研究

为了得到X型宽尾墩消力池底板的冲击压强的直接计算公式,分析了对冲击压强影响较大的几个因素,利用量纲分析对模型试验的大量数据进行了拟合,总结出一个能较好地反映冲击压强规律的经验公式。误差分析表明滚弄、鲁地拉、索风营、沙陀的冲击压强最大相对误差不超过16.3%,能较好地反映X型宽尾墩消力池内复杂水流的冲击压强。实例验证显示,阿海工程X型宽尾墩最大冲击压强计算值与实测值误差<-15.8%。     

与宽尾墩联合使用的台阶面破坏问题研究

宽尾墩+台阶式溢洪道的消能形式已被许多工程所应用,但从近年工程运行情况看,个别工程出现台阶面破坏现象。根据工程模型试验资料,结合同类工程原型观测资料,对有可能在宽尾墩水舌作用下,影响台阶面出现破坏的时均压强、近底流速、掺气浓度等水力学参数分别进行了测试分析;同时,依据台阶面脉动压强和时均压强试验测试数据,采用材料力学方法,对台阶面混凝土分层后的受力情况也进行了分析。结果表明若台阶面碾压混凝土出现分层与表面止水破坏,则脉动压强就会通过表面缝隙与层面间隙作用于混凝土,混凝土也可能因此出现最大正应力,而当最大正应力超过混凝土的抗拉强度,台阶面混凝土就可能出现破坏。     

溢洪道挑流鼻坎水气二相流数值模拟研究

针对某溢洪道挑流消能存在的问题,采用VOF方法、立方体网格和k-ε紊流模型对溢洪道整体水力特性进行了三维数值模拟,对挑射水流流态、水舌掺气、水垫塘底板压强、下游河道流速等方面进行了分析。将某溢洪道由原高低式挑流鼻坎修改为差动式后,增大了下泄水流入水范围,提高了挑流消能的消能效率,减小了水垫塘底板压强,降低了下游河道水流流速。优化方案数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。     

某拦河闸式渠首闸门调度及运行方式的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,对新疆某渠首工程的闸门调度及运行方式进行了三维数值模拟,并对不同工况下典型断面的流量、水位及流速进行分析。研究表明数值模拟与物理试验得出的结果吻合情况较好,不同工况下的渠首运行方式均可达到较优的泄洪、引水效果,三维数值模拟的方法能够弥补物理试验费时费力,并且对流场内部特性难以掌握的缺点,可用于类似渠首工程运行方式的数值模拟研究,并为实际工程的运行控制提供参考。