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。     

三维模型在台阶式溢洪道台阶段优化中的应用

采用VOF方法,结合RNGκ-ε紊流模型和单向流体自由追踪界面对台阶式溢洪道台阶段进行三维数值模拟。通过调整台阶式溢洪道平面布置、台阶级数和台阶尺寸对大华水库坝面溢洪道原设计方案进行优化。结合水工模型试验,分析比较原设计方案与优化方案台阶段水力特性,采用31级台阶、45级台阶、62级台阶三种优化体形后消能率增大,不设过渡段则流速最大值减小,流速最大值均不超过15 m/s。数值模拟计算值与水工模型实测值吻合较好,进一步表明VOF方法适用于台阶式溢洪道台阶段水流流动的三维模拟。     

某水库溢洪道出口挑流鼻坎优化试验研究

针对某水库溢洪道原设计方案中挑流水舌落在海漫平台上造成严重冲刷破坏的问题,对溢洪道末端的挑流鼻坎进行了优化。通过水工模型试验,观测了溢洪道的水流流态、溢洪道的水面线与深度、溢洪道的流速、溢洪道沿程的动水压强、溢洪道出口的水舌挑距等。结果表明:优化方案下,水流避开了海漫平台而落入海漫前端左侧河道中;优化方案下计算空化数都在0.3以上,较原设计方案更安全;优化后,试验测得挑流冲刷坑内靠近坝脚侧的旋流淘刷最大流速约为1.7 m/s,比原设计冲刷坑内淘刷流速小,对右岸边坡产生较小冲刷,使挑射水流不影响后坡脚;优化方案合理,能较好地解决挑射水流直接冲刷海漫平台的问题。     

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。     

泄水建筑物三维水流数值模拟技术及应用

泄水建筑物下泄水流通常具有复杂的三维水流特性,常规的一维或者平面二维技术无法精确模拟其流态。应用三维数值模型对水闸、溢洪道、拱坝等泄水建筑物三维水流进行数值模拟,并与水工模型试验成果进行对比。数值模拟计算的水面线、流态及流速分布均与水工模型试验实测资料吻合较好,表明三维数学模型可以结合水工模型试验解决泄水建筑物常规水力学问题,为工程设计和运行提供相关的技术依据。     

开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究

开敞式宽大单泄槽溢洪道与一般溢洪道相比易发生水流流态复杂、掺气效果差等工程安全问题。以马来西亚Baleh水电工程为例,采用VOF法与RNG k-ε双方程紊流模型对溢洪道流场进行三维数值模拟。计算分析了不同工况下溢洪道流态、流速、沿程压强等水力特性的分布规律。同时开展1∶50物理模型试验,对比分析数值模拟结果与模型试验结果发现,两者基本一致,验证了开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性数值模拟的准确性与可行性。进而利用紊流模型计算分析了溢洪道掺气坎的优化布置方案,结果表明：1#掺气坎抬高20 cm后,坎后掺气空腔长度由11.03 m增大至19.84 m,消能率提高了6.11%;3#掺气坎沿泄槽陡坡上移15 m后,挑流水舌冲击位置上移,减轻了对挑流鼻坎段水流流态的影响。研究结果对同类工程的优化设计有一定的借鉴作用。     

关于水工模型优化溢洪道设计方法分析

对溢洪道原设计方案按1∶40建立水工模型，对水库不同运行工况下溢洪道泄流能力、泄槽流态及消力池消能效果进行水工模型试验。水工试验通过试验-修改-试验等过程和反复探索，优化枢纽布置、建筑物型式和有关设计参数，为设计最终优化方案提供可行、可靠的依据。通过水工模型试验成果对原设计方案进行局部优化，较好地解决溢洪道泄流能力不足、泄槽流态波动大及消能效果不佳等问题。     

南水北调东线工程双王城水库泵站水流特性试验与数值模拟研究

本文结合南水北调东线工程双王城水库泵站的设计,利用水工模型试验和数值模拟相结合的方法,综合分析了泵站流道内的水流流态、压力分布等重要流场特性。研究表明,模型试验与数值模拟结果能够较好的吻合,数值模拟结果能够对模型试验数据提供补充和完善;入库泵站与出库涵洞组合布置方案在水动力学条件方面可行;原设计方案出库涵洞陡坡段存在负压,水流流态不稳。修改方案将出库涵洞节制闸放置在涵洞末端,可有效地解决负压问题,改善出库水流流态。模型试验及数值模拟结果为工程设计提供了科学的依据。     

多孔溢洪道泄流三维数值模拟

为了充分体现闸墩对过坝水流的影响,采用有限体积法对含多个孔和多个闸墩的溢洪道进行了水流的三维数值模拟,采用k-ε紊流模型,利用VOF方法处理自由水面,给出了泄流能力、水面线和压力分布。数值模拟结果与模型试验结果对比表明,使用的模型能精确的模拟溢洪道的过坝水流。计算发现,溢洪道不同孔由于受闸墩、边墩等的影响,过坝水流的水面线、坝面压力有着一定的差异,从而为溢洪道的水力设计提供可靠的设计依据。     

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...     

多弯段溢洪道加设导流墩糙条后水流三维数值模拟

"635"水库为多弯段溢洪道 ,为了充分体现加设导流墩糙条等辅助消能导流措施对多弯段溢洪道水流的影响 ,通过标准 k- ε模型和VOF多相流方法并建立三维数学模型 ,得到了溢洪道各典型断面流速大小以及水深的分布规律.数值模拟结果与模型试验结果对比表明 ,使用的数值模型能较精确地模拟加设辅助措施后溢洪道的水流流态.结果表明溢洪道水流由于受导流墩糙条等辅助消能导流措施的影响 ,能有效控制弯道环流的发生以及缩短纵向流速分布调整的距离.从而为多弯段溢洪道的水力设计提供可靠的理论依据.     

Numerical models and theoretical analysis of supercritical bend flow

The flow pattern of supercritical flow in bend channels is complicated due to the shock wave phenomenon, which creates difficulties with regard to research and design of bend channels. Using the spillway of an actual project as an example, a three-dimensional numerical investigation was conducted to simulate the flow in a steep-slope bend based on the renormalization group(RNG) k-ε turbulence flow model and the volume of fluid(VOF) method. The validity of the numerical simulation was demonstrated by comparison between the results of numerical simulation and physical model tests. An optimal scheme of setting vertical vanes in the bend channel is presented. The results of numerical simulation and physical model tests are in agreement, which demonstrates the effectiveness of optimization of vertical vanes and the validity of the three-dimensional numerical simulation. Water depths along both bend walls were analyzed numerically and theoretically. The formula for calculating supercritical water depth along either bend wall was derived, and the critical condition of flow separation from the inner wall was determined.     

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。     

猴子岩水电站深孔泄洪洞水力学试验及数值模拟

深孔泄洪洞是猴子岩水电站4套泄洪设施之一,其落差超过100m,洞内泄流流速最大可达22.5m/s,有高水头大流速这一特点。本文采用双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法,对猴子岩深孔泄洪洞有压洞弯段及无压洞段的多种水力学要素进行三维数值模拟。数值模拟结果与1:25单体模型试验数据对比表明,采用该紊流模型与数值计算方法,能够很好地模拟这种高水头、大流量且带有自由表面的掺气水流的水力特性。计算模拟出的多种水力特性,从变化趋势到数值精度可满足水工设计的要求。     

龙抬头水电站泄洪洞水力特性研究

针对青海省某大型水电站龙抬头泄洪洞工程,采用计算流体力学软件Flow-3D,应用RNG k-ε紊流模型、VOF方法,对泄洪洞整体水力特性进行三维数值模拟研究,得到泄洪洞闸室、龙抬头段、挑坎等部位水流流态、壁面压强、水流流速等水力参数。将部分数值模拟结果同整体水工模型试验实测结果进行比较,两者吻合良好。数值模拟及试验成果显示,泄洪洞闸室合理设置突扩突跌设施可有效掺气、利于减蚀,龙抬头段水流流态平稳无突变、壁面无负压;而且,扭曲斜切挑坎有利于挑射水流归槽,可避免水流冲刷对向河岸,泄洪洞体型设计合理。研究表明,数值模拟与理论研究结果接近,可靠度较高,可为类似工程设计提供参考。     

二滩水电站1号泄洪洞水力特性与掺气减蚀的三维数值模拟

基于VOF法和k-ε紊流模型,对二滩1#泄洪洞进行了全流道三维数值模拟计算,获得了泄洪洞的流场及速度场、压力分布、水相分布及空腔、流速矢量等水力特征参数。计算结果表明:在原有体型通气孔侧墙部位,水流掺气不充分,出现局部负压,是造成该部位发生空蚀破坏的主要原因。本文所采用的数值模拟模型计算可以成为研究泄洪洞水力特征和掺气减蚀的一种方法。     

阶梯溢洪道水力特性试验及数值模拟

通过对阶梯溢洪道进行模型试验研究,验证了侧堰的过流能力,研究了典型断面流速、压力及水深在不同工况下的变化规律。试验结果表明:侧堰的过流能力满足设计要求,在各工况下,水深小于边墙设计高度,阶梯段各点空化数小于初生空化数,不会引起空蚀破化。根据原设计方案使用FLUENT对阶梯溢洪道进行数值模拟实验,并将数值模拟计算结果与模型试验结果进行对比分析,发现数值模拟计算结果与物理模型试验结果吻合良好,为深入分析阶梯溢洪道陡坡流场提供可能,同时,为体型结构优化提供技术保障。     

溢洪道阶梯陡槽段水面掺气位置试验与计算探讨

外凸型阶梯式消能工是应用于溢洪道陡槽段上的一种新型的辅助消能工。目前溢洪道陡槽段外凸型阶梯式消能工已在水利工程中得到了应用,但对此类型阶梯式消能工水力特性的研究成果仍较少。本文在5种坡度比和不同阶梯体型(包括阶梯高度、阶梯间距等参数)的阶梯陡槽溢洪道水力模型试验研究的基础上,对溢洪道阶梯陡槽段水力特性进行研究探讨,分析了陡槽段坡度比、阶梯跌坎体型参数等对溢洪道陡槽段泄流流态的影响,并将阶梯陡槽段泄流分为光滑水流区和掺气水流区两部分,提出了外凸型阶梯陡槽段水面掺气断面位置和水深的计算公式。本文研究成果可为溢洪道阶梯陡槽段沿程水面线和消能计算提供参考。