多股射流入流间距对下游水力特性影响分析

基于RNG k-ε紊流模型和VOF自由表面追踪法,采用非均匀结构网格技术,建立了三维紊流数学模型,并对多股底流水跃进行了三维模拟,详细分析了入流间距对多股底流消能下游流态的影响规律,探讨了不同孔距比下消力池内的漩涡特性。研究结果表明:入流间距对单股主流两侧流态影响显著,当孔距比大于1.5时,有回流形成;当孔距比大于等于2.0时,在弗汝德数约为7.0条件下,下游消力池底板附近已形成不同强度的立轴漩涡,所得成果可为相似研究提供参考。     

多层多股跌扩型底流消能的数值模拟研究

基于RNG k-ε紊流模型和VOF自由表面追踪法,采用非均匀结构网格技术,建立了三维紊流数学模型,对跌扩型底流消能工进行高精度数值计算。讨论了不同泄流方案下游消力池内水力特性的变化,得出如下结论:(1)不同工况下,下游消力池内水流紊动剧烈,其临底流速较大值相对集中在消力池前段;(2)当高低坎联合泄流时,可形成多层多股射流,流速梯度改变差异较大,各股主流掺混合并速度更快;(3)就消能率而言,高低坎联合泄流紊动能消逝比单独泄流更迅速,消能效果明显。     

跌扩型底流消能漩涡特性的初步研究

多股跌扩型底流消能是一种新型消能方式,消力池内紊流特性复杂。基于RNG κ-ε紊流模型和VOF自由表面追踪法,采用非均匀结构网格技术,建立了三维紊流数学模型,对高低坎多股跌扩型底流消能工进行高精度数值计算。讨论了不同消能方案下游消力池内漩涡分布及变化特性,指出：跌扩型底流消能,水流紊动剧烈,各种漩涡结构交织,下游消力池底板、边墙及跌坎附近随机形成了强度和尺度各异的立轴和横轴漩涡,但漩涡具有一定的游移性和间歇性;消力池底板X=0+0.0~0+40.0范围为立轴漩涡高发区;边墙处漩涡主要分布在高程Z=4.0~16.0 m范围.     

多股多层淹没射流消能回流旋滚特性研究

多股多层淹没射流在消力池内呈三元复杂流态,水体紊动剧烈,射流推雍水体受阻,在消力池底部向上游运动,形成顺时针立面大回流。跌坎下消力池内的漩涡由回流产生,可能威胁消力池安全而危及枢纽工程。通过引入VOF方法和RNG模型,进行某水电站多股多层淹没射流消能消力池水流特性的三维数值模拟,获取了高低坎消力池底部回流旋滚的基本特性。回流旋滚的长度与下游水位成反S形曲线关系,随着下游水位的增加,回流旋滚长度减小并向池首移动。     

某隧洞出口段水工模型试验研究

通过水工模型试验,验证了各种工况下某隧洞出口段的水流流态和消力池的消能效果及水流对下游渠道可能产生的冲刷影响。试验测得隧洞糙率为0.011 6和输水渠道糙率为0.012 5时,水流流态和水力学参数与实际运行工况吻合较好;当工程流量大于61.23 m3/s时,消力池消能不太充分,对下游渠道产生较大冲刷破坏。     

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。     

泄洪洞消力池体型优化及优化体型的水力特性

在水利工程中,大单宽流量、低Fr引起的振荡水跃一直是比较棘手的问题。本文依进行体型优化试验研究,提出了收缩扩散与底流复合消能的消力池体型,优化后的消力池体型为在原窄深底流箱力池进口前设置Y型收缩墩后的复合型消力池,在不同来流条件或不同尾坎高度下,消力池会出现三种基本流态：自由射流流态、淹没射流与咯淹没底流复合流态以及淹没射流与过淹没底流复合流态。当消力池内水流呈现淹没射流与略淹没底流复合流态时,法内水流较稳定,被动较小,为较优流态。     

球阀阻力系数的数值模拟及流场分析

论文针对自行设计的调节型球阀，以标准k—ε模型为依据，利用GAMBIT软件生成流道模型，并利用FLUENT软件对设在管道中的球阀进行了流场数值模拟，研究了在不同开度及流速下的流道内的流态以及球阀阻力系数。数值模拟研究发现当球阀开度为20°左右时阀门前后形成漩涡流态，随着开度逐渐增大到70°左右时，紊流流态逐渐消失。同时流速对阻力系数也有一定的影响，随着流速的增大，阻力系数趋近于定值。     

跌扩型底流消能涡体运动数值模拟研究

文中基于跌扩型消力池两侧立轴漩涡发展情况较为复杂的问题,采用RNGK-ε紊流数学模型,对不同突扩比、进口流速时立轴漩涡的运动轨迹进行模拟.分析了不同进流条件对立轴漩涡中心点位置的影响,以及不同突扩比对消能率和流速衰减率的影响情况,建立了相应的关系曲线.结果表明,立轴漩涡可提高消力池的消能效果;随着突扩比的增加,立轴漩涡...     

跌坎型底流消能流态转捩及控制研究

跌坎型底流消能工是一种建立在常规底流消能工基础上的新型消能工。通过理论分析得出,跌坎型底流消能工消能率随着跌坎高度与上下游水深的变化而发生变化,且不同入池Fr下,满足消能率所需坎高与水深不同。结合某大型水电工程进行验证,针对上游相对水位120.0~140.0 m、下游相对水位40.0~50.0 m,跌坎型消力池内水流流态特征进行分析。研究结果表明,跌坎型消力池内水位波动最大值发生在跌坎下游50~100 m范围内;随着跌坎型消力池跌坎高度的变化,消力池内水流可呈现出三种不同流态特征;当跌坎断面采用收缩体型后,跌坎高度可得到提升,有效地保障消力池内水流流态稳定和消能效率,改善消力池内临底水力学指标。     

跌坎式底流消能工跌坎深度确定及工程应用

由于受地形条件和下游高速公路桥墩的限制,某水库工程在选择消能工和体型的布置上难度较大,最终设计采用底流消能。为研究消力池的体型、消能效果和出池水流对高速公路桥墩的影响,开展了水力学模型试验。采用降低消力池底板高程形成跌坎式底流消能工,取得了良好的消能效果,临底流速降低明显,下游河道水流对高速公路桥墩的水力冲击明显减弱。所得成果可为类似工程的消能研究提供参考。     

收缩墩与跌坎消力池水力特性的试验研究

为探究解决跌坎型消力池在大单宽、低弗劳德数条件下引起的振荡型水跃问题,进行了跌坎型消力池和收缩墩与跌坎型消力池两类消能工试验,对比分析了试验的流态、流速和压强分布规律。试验结果表明,加设收缩墩后,入池射流破坏了表面水流与水垫层剪切形成的大幅度振荡波动,有效地解决了振荡型水跃问题,降低了水流对底板的冲击压力。     

基于SPH消力池内陡坡水跃的数值模拟

为了满足明渠水流入流的边界条件,扩展SPH方法在明渠恒定流模拟中的应用,本文建立SPH方法的出入流模型,通过设置相应的出入流边界条件,研究不同坡度下消力池内陡坡水跃特性。针对两种不同流量,对斜坡坡角θ分别在20°、30°、45°条件下的陡坡水跃进行数值模拟。模拟结果与文献中的实验结果进行对比分析,结果表明:出入流模型能为陡坡水跃的数值模拟提供稳定的水流。各陡坡不同流量下水面线的变化趋势基本相同,误差均在±10%内;相同坡角时,单宽流量为0.063 m~2/s的消能效果均大于单宽流量为0.105 m~2/s的消能效果。该方法处理出入流边界简单,合理准确,能够较好地模拟不同坡度下消力池内陡坡水跃,得到陡坡水跃特性,具有一定的可行性和可靠性。     

有旁侧入流的交叉工程河段洪水数值模拟

南水北调中线总干渠在河南省安阳市穿越洪河,其交叉建筑物形式为倒虹吸,且交叉工程上游 有急流从五六渠下泄旁侧入汇。文中讨论了旁侧入汇的五六渠消力池段水跃区水流间断性问题,提出了 一种在明渠流动中简化的水跃区数值模拟方式。通过建立平面二维数学模型,对洪河交叉工程河段进行 了平面数值模拟,对交叉工程河段洪水特性进行了专题研究。模拟结果表明这种简化处理方法实用可 靠,能够反映水跃区水深共扼关系与能量损失关系,较好解决了五六渠急流入汇的水流模拟问题。     

导流墙对闸后三元水流特性的影响

为避免或减轻多孔水闸少数孔开启时产生的突扩式三元水跃及次生二次水跃对闸后防冲设施及河道的冲刷破坏,针对平板闸门单孔开启和连续3孔开启情况,在消力池中分别设置4种不同长度导流墙,通过物理模型试验和三维数值模拟研究了相应水跃特性及流速、流态特征。模型比尺采用1:100,数值模拟采用RNG k-ε紊流模型和VOF方法。结果表明:在连续3孔闸门开启,闸门开度为1 m的试验条件下,导流墙长度为消力池长度的50%, 60%, 75%和100%时与未加导流墙情况相比,跃后水深分别降低了4.16%, 1.66%, 1.94%和2.22%;二次水跃距离分别缩短了17.14%, 14.29%, 2.86%和1.43%。导流墙长度为消力池长度的50%时跃后水深与二次水跃距离降幅最大,海漫上流速分布更加均匀。试验结果可为闸下消能设计和工程运行管理应用提供借鉴和参考。     

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。     

宽尾墩下游消力池底板动水荷载试验研究

“宽尾墩 消力池”是 3 0年前由我国首先提出并发展起来的消能形式。在依托工程模型试验的基础上 ,通过大量点、面水流脉动荷载测试数据的综合分析 ,基本掌握了宽尾墩射流作用下消力池底板动水压力的规律性分布 ,提出了点、面脉动荷载系数确定方法和结果 ,不仅为工程消力池底板结构稳定计算提供了科学依据 ,而且也提高了该消能形式水流动力特性的认识。     

突扩式跌坎消力池掺气特性试验

采用模型试验对突扩式跌坎消力池内水流的掺气浓度进行了量测,研究了来流条件、突扩比、水流流态对掺气特性的影响。结果表明：突扩式跌坎消力池掺气水流典型流态为水跃流叠加在射流之上,跃首被射流分裂成两部分,气泡跃移区在泄槽延长线范围内,长度较无突扩跌坎消力池有所减小,气泡悬移区长度有所增加,临底长度有所减小,突扩处为清水回流区,携带部分气泡;无突扩跌坎消力池底板掺气浓度呈降峰形曲线分布,各纵向断面沿程掺气浓度分布均匀;突扩式跌坎消力池底板掺气浓度呈升峰形曲线分布,掺气浓度在消力池底板1/4中线处最大,1/2中线处次之,靠近边墙处最小;在同一水力条件下,突扩式跌坎消力池底板掺气浓度较无突扩跌坎消力池有显著降低,且消力池底板掺气浓度不随突扩比的增大而减小。     

低弗劳德数梯形墩-悬栅消力池水力特性

针对大单宽流量、低弗劳德数消力池内消能问题,通过物理模型试验方法,对比分析消力池内加设梯形墩和悬栅消能工后水力特性和消能效果,优化梯形墩-悬栅消力池布置形式。结果表明：在低弗劳德数水流条件下,梯形墩-悬栅联合消能工断面水深分布均匀,消力池底板沿程压力分布梯度和时均压力分布系数波动幅度较小,整体稳定性较优;动能修正系数基本保持在1<α<2的范围内,可有效改善入池断面流速分布;消能率由传统消力池的52.25%、70.37%、75.89%分别提升至56.74%、75.95%、79.22%;梯形墩-悬栅消力池内悬栅单排等间距、高度与尾坎同高布置时,梯形墩呈双排交错形式布置在距池首0.35L左右处对于整体流态改善明显,消力池出口流速可降至0.4 m/s,消能率提高至59.63%、76.12%、79.37%,研究结果可为同类工程的底流消能问题提供一种新思路。