明渠底部边界上水流压力脉动的机理

基于固体边界上水流压力脉动主要决定于低频大尺度相干结构这一测量结果,本文导出在剪切紊流中的壁压强度和壁面剪应力间的关系式,以及在均匀各向同性紊流中的脉压强度和脉动流速强度间的关系式。所得关系式和以往的研究结果是协调的,和实测资料也有较好的一致性。本文还讨论了在时均流边界上存在紊动“似压强”的概念。     

三维水沙数值模拟中紊流随机理论应用初探

在平面上采用一般曲线坐标,在垂向上采用σ-坐标变换,用模式分裂法求解自由面水位,采用窦国仁紊流随机理论[1]构建紊流随机模型下的水流泥沙三维数学模型,采用有限体积法离散方程,并针对水工构筑物附近水流运动特点,采用动水压力校正法求解耦合的压力和速度场,在泥沙起动流速里考虑了垂向流速的影响,把计算结果与试验结果及基于Boussinesq假设的紊流模型计算结果进行了对比,表明在同等计算条件下,基于紊流随机理论的紊流模型有更精确的模拟效果,能较好的反映三维水流泥沙的运动和输移情况。     

电站进水口的水流数值模拟分析

采用k-ε紊流数学模型对电站进水口水流进行了三维数值模拟。模型利用有限体积法对方程进行离散,采用对压强初始值依赖性不强且收敛性较好的SIMPLER数值方法,自由表面采用VOF追踪模拟法。结果表明:计算得到的流态、流速、压强及水头损失等水力要素与物理模型试验成果吻合较好,这说明所建立的模拟大区域复杂进水口水流的方法是可靠的,可为类似工程设计、计算提供参考。     

明渠紊流脉动结构的试验研究

本文采用激光流速仪对光滑、过渡和粗糙明渠紊流结构进行了系统的试验研究。根据试验成果,分析了上述紊流特点,指出了明渠时均结构和脉动结构与壁面粗糙的关系,对粗糙管道、明渠和天然河流中的水流脉动结构进行了分析比较。最后,文中对随机理论的明渠紊流时均结构和脉动结构表达式进行了初步验证。     

孔板水流压强脉动特性

孔板水流经过孔板时突缩突扩,流线变化剧烈,引起流速脉动并导致压强脉动.孔板水流压强脉动是由孔板的特殊体形决定的,其有两个高峰,一个在孔板稍前位置,另一个在孔板后水流再附点附近,后一个高峰脉动幅值要大于前一个高峰.孔板水流脉动在负半周期的时间远大于气核发育成气泡的时间,因此孔板水流压强脉动对空化有不可忽视的影响,在计算孔板空化数时应考虑水流脉动的影响.     

溢流堰表孔弧形闸门开启过程非恒定流水力特性

采用RNGκ-ε紊流模型结合动网格技术对某水利工程Y型宽尾墩泄洪表孔弧形闸门开启过程进行了三维动态数值模拟研究。为了解闸门开启过程中各相对开度的水力要素特性,采用6种不同的开启总时间,给出各开启总时间对应的闸后流速、压强等水力要素对闸门开启速度的依赖关系,并定义了反弧及消力池3个压强分布区域。研究表明,闸门开启总时间较小时,闸后水流的滞后效应明显,各对应相对开度时闸后水面线偏低;开启过程中溢流堰反弧处最大流速、冲击区最大压强等都会远大于恒定情况时的对应值。冲击区最大压强及其与调节区平均压强的差值随开启速度的增大迅速增加,且需经过较长时间才逐渐回到正常值。开启速度较小时,各水力要素增加较为平缓。将闸后水面线等计算结果与试验结果进行对比,吻合良好,验证了数值方法的可靠性,可为类似水工闸门运行提供借鉴。     

学术讨论

该文在水槽中进行了紊流的近壁绕流结构试验和层流向紊流过渡的试验,填补了过渡状态下明渠水流的实验研究的空白。但文中也还存在一些值得商榷的地方,现提出来讨论如下。 (一)层流和紊流的划分标准 层流是一种稳定的水流状态,任何一点在x,y,z方向的流速分别为它们并不因时间而改变,其脉动量均为零。而紊流则是极为复杂紊乱的脉动流态,水流流速随时间变化,其脉动量中至少有一个不为零,有时甚至能达到相当大的数值。严格说来,所有的水流运动均为紊流,只是其脉动强度有大小差异,而在其非常微弱时,可以近似地把这种水流状态当作层流处理。该文中的紊流发生率实测值实际上是水流脉动强     

曲率缓变型反弧段水流的时均特性

本文提出一种曲率缓变型反弧曲线设计方法，用激光测速系统研究了该反弧水流的时均特性，得出反弧段水流时均流速分布，壁面压强，壁面切应力及紊流边界层的沿程变化，与单圆弧反弧体型试验成果比较表明，的反弧曲率的连续缓变，使壁面压强分布和空化数变化缓和，消除了曲率突变存在的逆、顺压力梯度；过渡层紊流强度减小２０－３０％；切应力系数有所下降，反弧末端切应力系数Ｃ＇ｆ减小１０％，本文还对反弧水流紊流边界层厚度的变     

溃坝的水力计算(TI——59程序计算应用实例)

前言溃坝水流的水力学问题属于天然河道或人工渠道中的不恒定流问题。这种水流运动的特点是:流速和过水断面等因素随时间和位置而变化,其运动要素可表示为:     

明流脉动压强特性对自掺气发展影响试验研究

通过系列模型试验,采用脉动压强仪和针式掺气浓度仪,在不同初始流速与水深条件下详细测量了陡槽自掺气水流沿程各断面掺气浓度与脉动压强,重点分析了脉动压强与掺气浓度分布之间的相关关系,以及断面平均脉动强度对掺气区气泡扩散的影响。试验结果表明:随着明渠水流自掺气沿程不断发展,同一个断面上的脉动压强从断面底部至自由面呈现出先增大后减小的趋势,其中最大值位于断面掺气扩散区;断面平均脉动强度呈现沿程逐渐增大的变化趋势;在不同来流流速、水深及雷诺数条件下,自掺气水流断面平均脉动强度与断面掺气扩散区域之间呈现良好的相关关系。     

某水库阶梯溢洪道水力特性研究

采用标准k-ε双方程紊流模型,结合VOF法,对某水库阶梯溢洪道的水面线、流速、底板压强等水力特性进行了数值模拟,部分计算结果与1∶30比尺水工模型试验的结果进行了对比验证。结果表明:单宽流量较大时阶梯段水流为滑移水流流态,阶梯段水面较稳定;消力池内为淹没水跃,水面波动剧烈。台阶水平面外缘的压强明显大于内侧,各个台阶的压强分布规律一致,阶梯加消力池联合消能的效果显著,可供类似工程参考。相关水力参数的数值计算值和试验结果吻合良好,三维紊流数值计算可以获得流场的详细信息,表明采用上述紊流模型来计算阶梯溢洪道的流场是可行的。     

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。     

双层悬栅消力池的水力特性数值模拟

针对物理模型试验难以得到详细的流速、压强等水力参数数据问题,利用流体力学软件FLUENT建立RNG k-ε双方程紊流模型进行数值模拟,得到消力池内最大水深、流态、流速以及压强等水力参数,通过数学模型计算值与物理模型试验值对比分析以及数值模拟计算值之间对比分析,结果表明:数学模型计算值与物理模型试验值吻合较好,且布置双层悬栅时,计算值与试验值误差较小;双层悬栅使水流产生漩涡的能力较强,从而使水流对护坦冲击较小,护坦处涌浪降低,对压强变化影响较大,说明双层悬栅具有更好的消波稳流作用。     

某水库台阶式溢洪道脉动压强特性研究

台阶式溢洪道水流流态复杂,其水流脉动直接影响到水利工程的安全,为论证某水库台阶式溢洪道的安全性,采用物理模型试验方法,对台阶式溢洪道脉动压强特性进行研究。结果表明,台阶式溢洪道底板脉动压强是随时间变化的平稳随机过程;脉动压强强度在台阶凹角和中点处相差不大,从台阶面中点向凸角处逐渐增大;脉动压强强度沿程交替出现波峰和波谷,呈波浪状变化,并随流量的增加而增大;台阶式溢洪道脉动优势频率主要集中在0~2 Hz,属低频振动。研究成果可为类似工程的优化设计提供参考。     

过渡状态下明渠水流紊动规律的实验研究

本文采用激光流速仪实验研究了处于过渡状态下的明渠水流的脉动规律。实验结果表明,过渡状态下的明渠水流在空间上和时间上都具有明显的随机性的脉动规律。本试验统计了不同绕流雷诺数下的层流和紊流的发生率。所有实验结果证实了窦国仁最近关于明渠中层流和紊流的总规律的理论研究。     

M9定点测流在低流速紊流严重河道的应用

由于受到水利工程的影响,越来越多的水文站点的测流断面位于库区内,断面流速低且容易出现紊流情况,常规的机械流速仪无法在极低流速和紊流严重的情况下进行测验。而紊流和脉动也影响走航式ADCP的运用。为了解决这种情况下的流量测验问题,在广东省揭西县榕江南河干流东桥园站检验M9声学多普勒水流剖面仪在低流速紊流严重河道的测流情况,试验证明,M9定点测流可以满足极低流速和紊流严重的河段的流量测验。     

浑水脉动流速量测系统的原理及应用

根据水流中滞点压力与流速平方成正比的关系,本文介绍用硅压阻压力传感器检测滞点流速水头,由计算机进行实时数据采集的浑水脉动流速量测系统的原理及量测成果。通过对清水及推移质换沙水流、悬移质挟沙水流的量测证明,所测清水紊动强度的分布与激光流速仪量测结果一致。并能成功地用于挟沙水流流速的测量。     

高水头船闸阀门段体型优化三维数值模拟

采用动网格技术和VOF方法对阀门开启过程进行非恒定流三维紊流数值模拟,分析阀门段水流急变分离的流态、流速、压力等水力特性参数的时空演化规律,分析出现空蚀危险的区域和时刻。针对阀门后突扩体顶板和升坎凸弧处出现的较低负压问题,提出8种体型方案,并分析体型参数对流速、流态、压强分布的影响,遴选出最佳体型。分析结果表明,方案3的顶板压强最大,方案8的升坎凸弧处压强最大。     

波浪—水流共同作用下的紊动边界层数值分析

本文利用k-ε方程求解了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊流边界层的紊动结构。分析的结果表明：在边界层内，波浪和水流的耦合运动不是简单的线性迭加，而是呈非线性特性。波浪的存在在很大程度上影响了水流的流速分布，然而，水流对波浪的流速分布影响却很小。数值解与实验结果吻合较好，在不引入涡层粘度假设的情况下，给出了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊动边界层的结构特性。     

超高水头竖井旋流泄洪洞不同湍流模型数值模拟

基于VOF法,分别选取标准k-ε紊流模型、RNG k-ε紊流模型和Realizable k-ε紊流模型,对某一超高水头、大泄量竖井旋流泄洪洞的水力特性进行数值模拟,并将紊流模型计算结果与模型实验数据进行了对比分析。结果表明:3种紊流模型模拟计算所得的空腔直径、竖井壁面压强、旋流角等参数变化趋势与模型试验测试结果基本相同,但量值有所差别。相比较而言,Realizable k-ε紊流模型计算所得旋转水流的空腔直径、压坡底板与部分竖井壁面压强、旋流角在量值上更接近试验测量值。因此,Realizable k-ε紊流模型能够更好地模拟这种具有超高水头、大泄量、强旋转并带有自由液面旋转水流的水力特性。