恒定急变流的能量方程及其应用

恒定总流的Bernoulli方程仅适用于恒定渐变流,而不能用来解有关恒定急变流的水力学问题。否则将会导致相当大的误差。为了分析和计算某些具有实际意义的恒定急变流问题,本文提出了恒定急变流的能量方程,并应用这一方程从理论上导出溢流坝反弧收缩水深、坝体泄水道流量以及侧壁孔口流速等的计算公式。为了验证,在溢流坝水工模型上进行了反弧收缩水深的观测。公式计算结果与观测资料相当吻合。     

挑流反弧段水流掺气浓度的试验研究

通过泄槽水力学模型试验,研究了溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物挑流反弧段掺气浓度的沿程变化规律;分析反弧段掺气浓度分布与挑坎高度、挑流段反弧半径以及来流流量之间的关系,以期为优化掺气坎体型及掺气坎下游设施提供依据。试验结果表明,挑流反弧段水流表、中、底不同部位掺气浓度的沿程衰减率是不相同的;在试验范围内,挑流反弧段水流掺气浓度随掺气坎高和反弧半径的增大而增大,随流量的增加而减小。     

二元明流反弧段的水力特性及空化特性

明流反弧段是容易发生空蚀的部位。本文从系统研究二元明流反弧段的水力特性入手,探讨反弧段的空化特性。根据势流理论,导出反弧段的时均压强、时均流速以及水深的分布规律,并对脉动压强及脉动流速进行初步探讨。对边壁附近的流速分布,根据实测资料进行局部修正。文中还介绍了反弧段的边界层特征及阻力系数。根据迭加方程,导出了反弧沿程临界空化数的变化规律,并与水流空化数进行比较,认为,反弧末端阻力系数及临界空化数的大为升高,是反弧末端更易于发生空蚀的主要原因。     

显式Runge-Kutta法求解明槽恒定渐变流的稳定性研究

显式Runge-Kutta法是求解明槽恒定渐变流微分方程的常用算法之一,近年来得到国内一些学者的研究和推广。研究显式Runge-Kutta法求解明槽恒定渐变流方程的稳定性可进一步夯实该算法技术推广的基础。采用多元函数泰勒公式展开明槽恒定渐变流的4阶显式Runge-Kutta方程,略去高阶微量并消去部分项后可得到误差传播方程。误差传播方程显示,用4阶显式Runge-Kutta法求解明槽恒定渐变流微分方程时,缓流流态应从下游向上游推算,急流流态从上游向下游推算,才有可能在取用足够小的计算段长时能保证计算的稳定性。通过典型计算进一步验证了该结论,该结论也可进一步推广至至一般性的显式Runge-Kutta法。     

泄洪洞反弧段末端水力特性指标分布规律

龙抬头式泄洪洞在水利水电工程中应用十分普遍,但是由于反弧段流态复杂,其产生空蚀破坏的原因尚不明晰。对不同泄洪洞体型掺气前后的工况进行三维数值计算,对其水力特性指标的分布规律进行研究。结果表明:随着落差Δz增大,反弧段流速逐步增大,水流空化数逐步减小;反弧半径R的改变对反弧段水力参数的影响有限。掺气水流的反弧段水力学指标主要取决于Δz,而受反弧半径R的影响相对较小。当Δz减小时,反弧段末端的水力参数在掺气前后变化不大,反弧段末端下游30m(等于15倍的挑坎高度)处的掺气水流的流速明显降低,空化数明显增高,掺气水流的保护作用对空腔下游部分的水力参数影响更加明显。在反弧末端有二次流出现,两侧边墙附近存在对称涡,不仅对边墙附近的流速压力分布产生一定影响,也加剧了反弧段内的水力特性的复杂程度。     

突扩式水跃共轭水深的简化解

分析突扩水跃的水力特性, 给出水跃方程的简化解。在分析突然扩散式水跃段流态的基础上对回流水深作出假设, 考虑水跃扩散比对回流水深的影响, 运用动量守恒定律建立突然扩散式水跃方程。通过级数展开方法, 推导 出突然扩散式水跃方程的显式简化解, 并给出有关参数的经验公式。突扩比 β= 1.0 时简化解与试验结果的平均误差为 1.924% , 在 3.0< Fr 1 < 9.0 范围内二元水跃经典解与简化解误差随着水流弗劳德数 Fr1 的增加而减小, 最大误差小于 3.001% , 简化解能够与试验和二元水跃经典解吻合很好。在不同扩散比情况下, 简化解与试验结果的平均误差为 5.511% , 说明具有良好的精度。因此, 可以应用它进行泄水建筑物下游水力计算。     

溢流坝反弧段水面线简化计算探讨

溢流坝面沿程水面线是工程设计的重要依据.该文在已知溢流坝泄流单宽流量、反弧段起始断面水深条件下,采用陡坡段水流能量方程,推导出溢流坝反弧段沿程水深的计算方法,供工程设计参考.     

泄水建筑物紊流边界层探讨

本文总结了过去对溢流坝面紊流边界层及泄水建筑物反弧段紊流边界层的试验研究,通过理论分析导出了光滑溢流面及粗糙溢流面边界层厚度的计算关系式,还提出了相应的实用经验式。在对泄水建筑物反弧段边界层厚度变化的分析中,采用了相对边界层厚度δ/δ_0及相对反弧长度s/Rθ,提出反弧中点似为边界层厚度从增厚到减薄的转换点,并根据试验资料提出了点前、后边界层厚度沿程变化的关系式。     

突扩式水跃共轭水深的直接解及验证

由于泄水建筑物下游的地形条件,突扩散水跃被广泛地应用于泄水建筑物下游消能防冲设计。文章建立了突扩水跃方程并用实验验证了它的直接解。在分析水跃段水流形态的基础上对突扩式水跃始端端墙断面压力作出假设,认为回流平均压力是水跃跃首压力、水跃跃末端压力及水跃扩散比的函数。然后,根据动量原理推导出突扩式水跃共轭水深的水跃方程。通过实验给出了回流水深计算式中有关参数的经验公式。建议了突扩式水跃共轭水深水跃方程的显式直接解。突扩式水跃共轭水深水跃方程的计算结果与实验的对比表明,平均误差为5.564%,具有高的精度;与改进前突扩式水跃共轭水深水跃方程的计算结果对比说明,误差小于5%的实验组次增加了15组,占总实验组次的比例提高了16.5%,计算精度明显提高。而且计算过程简单,因此,可以用于水利水电工程的水力计算。     

明渠恒定急变流水深沿程变化的计算

给出了明渠恒定急变流中的能量方程,该方程能够行之有效地解决急变流中的一些水力学问题。引入了“弯道附加压力”的概念,并给出了明确的计算公式。能迅速计算出急变流的水深、流速等水力要素的沿程变化。应用VB编程求解该公式,水面线的计算结果与模型试验实测结果吻合良好。     

EXPERIMENTAL STUDIES AND NUMERICAL CALCULATION ON TURBULENT BOUNDARY LAYER OF WATER FLOW ALONG CURVED SURFACE

This paper will introduce experimental studies and numerical calculation onturbulent boundary layer of water flow along curved surface in our country in recent years.Onthe basis of the experimental studies,the effects of curvature and roughness on velocitydistribution and pressure distribution and the change of turbulent flow boundary layer onoverflow bucket concave surface is discussed.We proposed the empirical formula of velocity,pressure and the change of turbulent flow boundary layer on outlet bucket concave.According tothe momentum principle,we have deduced the momentum integral equation full water depthboundary layer and using the element as control unit inside the boundary layer on concavesurface of bucket.Combining with continuity equation,we have computed the boundary layerdevelopment on the bucket of a spillway.Compared with the field experimental data,thecalculation results are available.Under polar coordinates,a mathematical model for simulatingtime-averaged flow characteristics in concave surface of bucket is established.The turbulent flowfield on concave surface of bucket is calculated by SIMPLE method and this mathematicalmodel.The flow velocity field,pressure field,distribution of turbulent kinetic energy,distribution of turbulent energy dissipating rate and distribution of shear stress are available.Thecalculation value is consistent with measured test data.     

R型水跃局部水头损失系数与跃后水深的计算

通过能量方程研究R型突扩水跃局部水头损失系数,完善水跃跃后水深计算的理论方法,为消力池跃后水深的计算提供新的思路。通过建立消力池出口扩散断面和跃后断面的能量方程,分析R型突扩水跃局部水头损失系数和水跃水深比的变化规律。结果发现:R型水跃相对局部水头损失系数是突然扩散断面弗劳德数和消力池突扩比的函数;相对局部水头损失系数既服从线性分布,又服从乘幂分布;水跃水深比是跃前断面弗劳德数和消力池突扩比的函数。提出了局部水头损失系数和水跃水深比的计算公式,并分别对其进行了验证。     

泄洪洞扭曲型挑坎数值模拟应用

为探究验证泄洪消能工扭曲型挑坎的可行性和合理性,以红岩河水库右岸泄洪洞末端扭曲型挑坎为例,采用标准k-ε湍流模型和VOF多相流模型对扭曲型挑坎进行水气两相流三维数值模拟。研究结果表明计算域的整体流态及水面线高程与水工模型试验数据吻合良好,计算误差较小;挑距挑高及冲刷坑深度数据均显示挑坎布置合理,运行安全;下游冲刷趋势与流速紊动能分布均显示消能充分,水流顺利归河。为后期使用数值模拟的研究方法对大交角狭窄河道情况及挑流鼻坎型式的优化设计提供了参考和借鉴。     

利用多岛遗传算法的侧式进/出水口体型优化研究

水工建筑物体型优化一般通过物理模型试验或数值模拟对设定体型进行水力特性研究,针对不利的水力指标调整体型再进行研究,直至获得满意的较优体型,这是传统的做法。双向水流条件下的侧式进/出水口体型优化可视为多目标优化问题。本文将加权后的水头损失系数定为目标函数,以孔口断面流速不均匀系数和孔口间流量不均匀系数为约束条件,将多目标优化转化为单目标优化,利用多岛遗传算法进行进/出水口体型优化,可以获得最优体型。此外,参数化建模方法和基于CFD的响应面模型的应用,加快了建模与数值模拟速度,提高了优化效率。以某下水库侧式进/出水口为例,按照本文方法得到的推荐体型与原体型相比,进/出流的总水头损失系数降低3.35%,出流时流速不均匀系数减小14.50%,进/出流的流量不均匀系数均小于20%。该研究方法为水工建筑物体型优化提供了便捷的途径。     

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流，利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程，表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度，挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响，并定量分析了细颗粒试验资料，表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差，需要修正。     

高坝消力戽消能跃后共轭水深的计算

针对现有高坝消力戽消能计算十分繁琐的问题,考虑底挑圆弧离心力对收缩水深的影响,基于无量纲化理论、水力学基本理论和数学理论推导,给出了高坝消力戽消能计算基本方程。利用一元三次方程的卡当公式解分别给出了坎底收缩水深和跃后共轭水深的解析计算公式,并采用MatLab计算软件对跃后共轭水深与无量纲单宽流量、无量纲总水头以及消力戽底坎挑角的影响关系进行了计算研究。最后通过工程实例计算比较,认为推导的坎底收缩水深和跃后共轭水深计算式精度可靠,方便快捷,便于工程实际应用。     

突然扩散水跃方程的改进与比较

为研究突然扩散水跃方程的特性,根据动量守恒原理,在回流区平均水深作为代表水深的假设下,推导了突然扩散水跃的一般方程。在改进了回流区平均水深具体表达式的基础上,得到了突然扩散水跃的新方程,并给出了有关参数的确定方法。将已有的和改进的突然扩散水跃方程求得的共轭水深比与试验结果进行了比较,结果表明:不同突扩比时改进后的方程求得的共轭水深比与试验结果的平均相对误差和最大相对误差最小,计算精度最高;且改进后的方程具有显式解,计算方便。因此,改进后的方程可用于突然扩散水跃共轭水深的水力设计。     

特征线法在溪洛渡泄洪洞挑流鼻坎设计中的应用研究

主要介绍了特征线法在溪洛渡泄洪洞挑流鼻坎设计中的应用情况，采用特征线法建立了异形扭曲底面条件下的泄洪洞挑坎水流流场计算数学模型并编制了可视化计算程序，由计算结果可以得到挑坎上水流的自由表面形态、断面水深和沿垂线平均的流速分布，该模型计算结果得到了物理模型试验的验证，二者结果基本一致，从布表明该计算模型的可靠性，采用该计算模型能够直观、快速地进行挑坎体型的方案比较。     

挑坎水舌运动轨迹控导措施研究

依托某工程泄洪洞出口消能工体型优化试验,对常规挑坎、平面扩散型和纵向扩散型消能工（窄缝挑坎）的挑坎水舌特性进行了对比研究,其中重点对窄缝挑坎消能工鼻坎体型对水舌运动轨迹、水舌形态、入水范围的控导作用进行了初步探讨。研究结果表明：通过侧墙非对称偏向、出口局部偏转等措施实现挑坎水舌运动方向的控导效果,适应下游河道边界特殊需要,较好地解决了工程消能难题,可为同类型工程提供参考,但鼻坎体型、尺寸等参数与水舌运动轨迹的定量关系仍有待进一步深入系统研究。     

窄缝式挑坎下游河床冲刷特性研究

溢洪道下游出口设置了窄缝式挑坎之后,增大了其挑射水流的消能率,可明显减轻对下游河床的冲刷.在简要地分析溢洪道窄缝式挑坎体型布置的基础上,根据溢洪道窄缝式挑坎下游河床冲刷的水力模型试验资料,提出了其下游河床冲刷深度的计算式,并给出了相应的算例.本文成果可供类似工程设计和运行参考.