坝身泄洪水气两相流二维数值模拟

为了全面了解坝身泄洪水力学特性,采用基于VOF方法的水气两相流二维紊流数值模型对坝身表孔泄洪进行了计算模拟,得到的坝面压力、水舌入水点等水力特性与1:50比尺的整体模型试验值基本吻合,同时还进一步分析得出了坝后较真实的水舌风场、坝身泄洪的能量损失过程以及水垫塘的水流特性,表明两相流数值模拟是研究坝身泄洪水力特性的有效方法。     

窄缝坎的冲击波及水舌入水宽度的计算

为了研究窄缝坎的冲击波及水舌入水宽度,以某工程泄洪中孔为原型,开展窄缝坎物理模型试验。试验观察到在收缩段内存在一系列冲击波的波阵线。试验量测了窄缝坎冲击波的最大波角和最小波角,并根据试验结果提出了估算公式。在此基础上,根据冲击波理论和自由抛射体运动原理,通过理论分析和试验研究,得到了窄缝坎水舌最大入水宽度及其位置的估算公式。计算结果与试验结果比较表明,两者吻合良好。     

溢洪道出口斜切型挑坎挑射水舌三维数值模拟

采用RNGk-ε紊流模型与VOF方法对溢洪道斜切型挑坎挑射水舌进行了水气二相流三维数值模拟。计算得到了空中水舌形态、水舌挑距、水舌入水角度及入水速度,模拟结果与模型试验和理论计算结果吻合良好,分析了空中水舌及水舌入水区域的流场、水舌入水位置、紊动能κ和紊动能耗散率ε的分布规律以及提高水舌数值模拟精度的措施。论文研究结果表明本数值模拟方法对类似工程基本可以代替模型试验,从而提高研究效率,并为工程优化设计及运行提供科学依据。     

窄缝消能工水力特性的数值模拟与试验研究

本文对高拱坝深孔窄缝消能工的有压洞段及出口的压力、沿程水面线、沿程流速分布、水舌入水角度、水垫塘底板的动水压力分布等水力要素进行了研究,采用基于VOF两相流的标准k-ε双方程紊流数学模型对各水力要素进行了数值模拟,并与模型试验结果进行比较。结果表明:数值模拟结果与模型试验吻合良好,说明利用该数学模型模拟窄缝收缩段、空中射流水舌及水垫塘的水力特性是可行的。利用抛射体理论计算公式得到各种形式下水舌进入水垫塘的运动轨迹、入射角及入射流速,弥补了模型试验中无法测量空中水舌流速分布的不足,可以为工程设计及应用提供一定的参考依据。     

溢洪道出口窄缝挑坎特性研究

消能工体型的选择在水利工程设计中至关重要。采用RNG k-ε紊流模型与VOF方法对泄洪过程中溢洪道与水垫塘内的水流进行水气二相流三维数值模拟,研究窄缝型挑坎消能工的水流特点及规律,结果显示,数值模拟计算的水深、水流流态、入水角度等参数与模型试验结果吻合较好,验证了数值模拟的可行性。在此基础上,计算分析了窄缝型挑坎收缩段水流及空中水舌的水力特性,以及水垫塘底板压强分布规律,确定出窄缝型挑坎最大压强所在位置及空中水舌流速变化规律。研究结果表明：窄缝型挑坎束窄水流作用明显,其空中水舌同一横断面的最大流速位置基本相同,同一纵向断面垂向流速差沿程逐渐减小,挑坎收缩段底板处流速大小呈抛物线形分布,而压强分布沿程呈现3个区间3个趋势的分布规律。研究成果可为实际工程中同类型消能工的设计提供参考。     

基于泄洪雾化影响的白鹤滩水电站坝身泄洪调度方式研究

针对高坝工程泄洪调度方式的雾化影响问题,提出一种改进的泄洪雾化数学模型。该模型可综合反映水舌入水条件、气象条件及河谷地形的影响,并通过小湾工程实测资料验证,两者吻合良好。在此基础上,针对白鹤滩水电站坝身泄洪方式进行雾化影响对比分析。结果表明,当深孔泄洪时,由于其水舌挑距大,入水角度小,水舌风场与雾化降雨范围明显大于表孔泄洪,在泄洪流量与水位落差相同的条件下,表、深孔不同开启方式,其水舌落点与入水形态各不相同,最终引起水舌风场与雾化降雨分布显著变化,根据不同运行工况下的雾化降雨对比结果,提出了坝身孔口的最优开启方式。上述研究为今后实际工程泄洪调度的雾化影响分析提供了借鉴。     

溢洪道水流特性分析

溢洪道的控制段之后常设置收缩段，并且溢洪道的水流一般为急流，因此，在收缩段内特产生陡冲击波，使溢洪道内水流的流态复杂化。收缩段的水流特征应采用冲击波理论分析计算，只有正常陡槽段的水力计算才可采用能量公式。分析表明，由于收缩段和正常泄槽段的相对水位不同，特产生不同的水面衔接形式。大多数情况下，收缩段的陡冲击波控制滋洪道陡槽的过流能力与边墙高度。     

溢洪道水流特性分析

溢洪道的控制段之后常设置收缩段,并且溢洪道的水流一般为急流,因此,在收缩段内将产生陡冲击波,使溢洪道内水流的流态复杂化。收缩段的水流特征应采用冲击波理论分析计算,只有正常陡槽段的水力计算才可采用能量公式。分析表明,由于收缩段和正常泄槽段的相对水位不同,将产生不同的水面衔接形式。大多数情况下,收缩段的陡冲击波控制溢洪道陡槽的过流能力与边墙高度。     

高拱坝枢纽工程泄洪调度方式对雾化的影响分析

结合已建典型高拱坝枢纽工程泄洪雾化原型观测、数值模拟及物理模型试验成果,分析高拱坝枢纽部分孔口开启泄洪的雾化规律,探讨通过泄洪调度方式减轻泄洪雾化所带来危害的途径,保证电站枢纽安全有效运行。结果表明,坝身表、深(中)孔泄洪时雾雨区分布与下游水舌入水流速、水舌入水面积以及入水角度密切相关,其中入水流速对深(中)孔泄洪雾雨区分布的影响更加明显。当库水位和泄洪量一定时,泄洪洞运行雾化雨强及其影响范围最小,且雾化影响区集中在远离坝体的下游河段,而深(中)孔单独运行雾化雨强及其纵向影响范围明显大于表孔和泄洪洞单独运行工况,雾雨区垂向范围受泄洪调度方式影响较小。     

玛尔挡水电站泄洪消能试验研究

玛尔挡水电站具有水头高、流速大、下游水位浅,而其泄洪建筑物布置集中,水舌较为集中入水,泄洪消能问题突出的特点。通过模型实验,提出泄洪洞采用横向扩散式挑坎;溢流堰堰顶高程由3261 m降低为3258 m,溢洪道引渠段底板高程随之由3250 m降低为3247 m,溢洪道孔口尺寸由13 m×14 m改为10.5 m×17 m,溢洪道挑坎均采用曲面贴角窄缝挑坎等措施对泄水建筑物进行优化。模型实验结果表明,优化方案可有效解决原方案死水位不能跨岸、下游河道冲刷严重的问题,满足泄洪消能的要求。     

窄缝消能工水力特性数值模拟

对于窄缝式消能工,收缩比和出口形式是影响其水力特性和消能效果最重要的两个参数。采用RNGκ-ε紊流模型与VOF多相流模型对窄缝消能工进行水气两相流三维数值模拟,模拟收缩比为0.4,出口形式为矩形和底部收缩比为0.5,顶部收缩比为0.7的V形出口两种窄缝体型的水力特性,数值模拟结合龙水电站开口泄洪中孔窄缝消能工模型试验,对比分析了两者在压力、水面线、水舌和落水形态等水力特性的不同,结果表明采用紊流模型模拟研究窄缝消能工的水力特性是可行的;V形出口形式具有较大的优越性。     

泄水建筑物挑流泄洪安全控制技术研究

为寻求某水电站溢洪道的最优泄洪方式,选择合适的消力池尺寸。采用水气两相流方法,对某工程的大型泄水建筑物进行数值模拟。通过迭代计算k-ε两方程模型,利用追踪自由液面的VOF方法对水面线进行模拟,计算得到泄槽水面线、挑流水舌、消力池底板压力、挑距、流速等水力参数。通过分析消力池内水流流态选择合适的消力池尺寸,数值模拟结果与规范计算结果互相验证,吻合较好,验证了数值模拟成果应用在实际工程的可行性。     

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。     

沟水坡水库溢洪道弯道水流数值模拟

溢洪道是确保水库安全的“太平门”,水库工程的关键组成部分，其设计和布置合理与否，直接影响到水工建筑物的安全。为了验证沟水坡水库溢洪道除险加固方案设计合理性和优化的可能性，基于沟水坡水库溢洪道模型试验水面线实测数据，采用CFD数值仿真方法，结合VOF水气两相流模型和RNG湍流模型，对不同工况洪水下沟水坡水库溢洪道水面线进行模拟，模拟结果与沟水坡水库溢洪道模型试验实测数据吻合较好，验证了数值仿真具有较高的精度。在此基础上，对不同工况下沟水坡水库两级跌水消能段的水位流量关系、水流流态等水力特性进行模拟，分析原设计方案存在的问题，进一步提出优化方案，为后期工程除险加固提供了重要参考。     

基于CFD的挑流泄洪雾化特性研究

针对泄洪雾化影响范围不易采用数学模型直接模拟的问题,以某高坝电站泄洪为研究对象,先采用三维数学模型计算挑流水舌入水流速、入水角度等水力特征值,再基于此特征值选用原型观测校正后的计算公式预报泄洪雾化范围,并通过物理模型试验对计算结果进行验证分析。结果表明,受比尺效应影响,物理模型试验预测的雾化影响范围小于公式计算的范围,但两者的变化趋势一致;雾流受惯性力和水舌风作用,沿水舌轴线做爬坡运动,与原型观测现象一致;受出口挑流影响,泄洪雾化影响集中在水舌落入点的下游,而水垫塘上游、右岸降雨强度较小,影响范围有限。     

高拱坝挑跌流非碰撞水垫塘消能形式研究

在峡谷区修建高坝工程,坝身高水头、大泄量的消能防护是关键技术难题之一。本文通过模型试验和数值模拟,研究了收缩式消能工的作用和分层射流在水垫塘内流动特征与消能机理,论述了坝身分层、多孔、分散泄洪的可能型式及其优缺点。为避免射流水舌碰撞分散引起的溅水雾化问题,通过对坝身表、深孔的不同布置形式,创造性地提出表孔、深孔水舌分层入水非碰撞布局的水垫塘消能方案,和采用收缩式消能工,使表、深孔在横向交错布置,在立面分层泄流,深孔水舌穿过表孔水舌之间的空隙处射出,形成交错入水非碰撞格局的水垫塘消能方案。     

基于水动力模型的水库溢洪道水流演进分析

采用二维水动力数学模型对某中型水库拟建溢洪道内的水流流态进行数值模拟,并利用设计方案中的成果进行模型计算结果复核,验证了该模型对溢洪道进行二维水动力数值模拟的可行性,然后利用该水动力模型对不同泄流工况下的溢洪道内水力要素进行了模拟计算,为溢洪道的设计方案优化提供数据支撑,并对溢洪道的防冲措施及下游跨河大桥的防洪安全提出建议。     

高拱坝表中孔窄缝式挑坎泄洪雾化特性分析

对古学水电站拱坝表中孔窄缝布置方案的泄洪雾化特性进行分析,根据物理模型试验成果,率定出不同频率洪水条件下,坝身表中孔的泄洪雾化水力因子,然后考虑水舌入水形态、复杂河谷地形及气象条件等因素,得到了泄洪风场与雾化降雨强度的等值线分布。研究表明,坝身表中孔采用窄缝出口体形,泄洪水舌纵向拉开,水舌两侧溅水受到前部遮蔽,且当表中孔联合泄洪时,内外侧不同水舌间也发生相互遮蔽。由于水舌两侧雾化源受到削弱,使得窄缝体形在保证消能安全的同时,能有效减小两岸雾雨爬升范围。在坝身各种泄洪条件下,雾化降雨分布范围在坝下80～700 m之间,两岸雾化雨区爬升高度仅为120～140 m,右岸下游电厂尾水出口处降雨强度0～20 mm/h,已属自然降雨范畴。     

带差动挑坎的溢洪道流场三维数值模拟

采用RNGκ-ε紊流模型和VOF方法对某工程带差动型挑坎的溢洪道流场进行了三维数值模拟研究,详细描述了差动坎处的流速、压强等水力参数的分布规律,得出了高低坎挑射水舌的挑距、入水角。将部分结果与试验对比,符合良好,验证了数值模拟是准确可靠的,可作为模型试验的有益补充,为挑坎设计提供重要的参考依据。     

基于BIM+数值模拟的弧形闸门结构性能分析研究

【目的】溢洪道泄洪是一个复杂的水气交换物理过程,在溢洪道泄洪中弧形闸门发挥着十分重要的作用,泄洪过程中弧形闸门受到水体流激振动导致受力不均匀,造成弧形闸门应力应变计算困难。针对不同开度下水流对表孔弧形闸门结构受力情况,【方法】以某水电站溢洪道弧形闸门为例,采用BIM技术建立弧形闸门和流场计算域模型,通过BIM技术与有限元数值模拟间数据交互建立三维有限元模型,采用Fluent、Static Structural进行网格划分并对不同开度下溢洪道过闸流量和弧形闸门受力情况进行数值模拟,分析溢洪道过闸流量和弧形闸门应力、应变变化规律。【结果】结果显示：过闸流量在误差允许范围之内,闸门应力、应变随开度的不断增加逐渐减小,在闸门开启瞬间产生最大等效应力值为142.2 MPa,最大变形值为3.45 mm;采用BIM技术对弧形闸门进行性能分析,提高数值分析效率,并将数值分析得到的水力信息进行处理赋予BIM结构模型中。【结论】研究表明：BIM技术结合数值模拟技术可以进行水工钢结构性能分析,实现BIM平台与CAE有限元平台数据双向交互,拓宽了BIM技术在水工钢结构性能分析中应用研究。