基于黏弹性人工边界的高拱坝气幕隔震效果研究

基于气-液-固三相耦合理论模型，采用动力有限元时程分析的数值仿真方法，对锦屏一级拱坝进行了气幕隔震效果的三维数值模拟。引入了黏弹性人工边界的基本原理，在坝基截断边界添加弹簧-阻尼单元以考虑无限地基的辐射阻尼影响。数值仿真结果表明：气幕显著降低了上游坝面的动水压力，气幕厚度越大，隔震效果越好。与无气幕时相比，气幕厚度为1m、2m、3m时，动水压力分别降低了58.2%、71.5%、81.9%，位移及应力反应也相应降低。     

拱坝气幕隔震技术分析研究

从流固耦合理论出发,介绍了坝体-气幕-库水隔震的三维有限元理论模型,研究了气幕隔震的减震机理和隔震效果.拱坝三维动力有限元数值仿真分析结果表明,气幕隔震对动水压力反应、加速度反应均有显著影响,尤其是前者,气幕可使动水压力减少约65%.     

气幕隔震技术在水利水电工程中的运用初探

论述了气幕隔震技术在水利水电工程中的应用现状,对气幕在拱坝中的隔震效能进行了简单的计算分析,结果表明:坝前气幕的良好压缩性能对地震效应有很大的缓冲作用,从而能极大地降低动水压力和坝体的动应力,改善和提高坝体的抗震性能.     

水工建筑物气幕隔震的研究进展

坝工建筑物的地震响应历来为人们所重视,动水压力是地震或爆震作用下水工建筑物所受的荷载之一,气幕隔震是减小动水压力影响的方法之一,对气幕隔震研究的最新进展进行了介绍．     

重力坝坝体-库水-气幕相互作用的振动台试验

结合某碾压混凝土重力坝工程,模拟了坝体库水气幕的动力相互作用,振动台模型试验中测试了大坝自振频率、坝面动水压力、坝面加速度和上、下游坝面动应力响应、坝顶位移等,研究了气幕对坝面动水压力、加速度、位移等的影响,并将库水有限元模型的计算结果与模型试验成果进行比较。结果表明,气幕对坝面动水压力及其动力特性均有影响,坝前气幕的良好压缩性能对地震效应有很大的缓冲作用,能降低动水压力和坝体的动应力,改善和提高坝体的抗震性能。     

考虑动水压力的输水隧洞-层状地基地震响应分析

基于比例边界有限单元法和连分式渐近展开构建的层状地基高阶双渐近透射边界具有全频范围内快速收敛的高阶精度和很高的计算效率,将高阶双渐近透射边界与近场有限元方程相结合,并将隧洞内水体视为理想声学流体以考虑动水压力作用,进行了输水隧洞-层状地基-动水系统的地震响应分析。数值算例分析结果表明：在地震作用下隧洞内壁的附加动水压力数值较大,其影响不容忽略,考虑动水压力后,隧洞结构的加速度和位移响应略微有所增大,表明动水压力对结构的加速度和位移响应影响较为有限;第一主应力和第三主应力数值有较大幅度增加,隧洞内衬混凝土损伤数值和损伤开裂区域较无内水工况对应的数值大。因此,在输水隧洞的地震响应分析和抗震设计中,十分有必要考虑附加动水压力的影响。     

海绵吸收层法在坝-库水瞬态动力相互作用分析中的应用

将海绵层与Sommerfeld人工边界结合起来模拟无穷水库的辐射阻尼效应，并结合有限元法在时域内分析坝—库水动力相互作用。计算了刚性坝面瞬态动水压力及柔性坝—库水动力相互作用的分析，结果说明这种方法在时域内模拟无穷水库动水压力波向上游的辐射阻尼效应是适合的。但需注意海绵层的体积阻力系数不能取得太大。     

工作桥对进水塔整体结构的抗震性能影响研究

地震作用下,进水塔与工作桥、库水、地基的相互作用复杂。通过建立塔身主体结构-启闭机房-工作桥-地基-库水整体有限元模型,基于势流体理论模拟结构与库水的相互作用,采用黏弹性人工边界考虑地基辐射阻尼,研究结构与库水、工作桥和地基的动力相互作用对进水塔整体体系自振特性和地震动力响应的影响。结果表明：在正常蓄水位下,工作桥的存在会使进水塔结构的顺流向位移最大减小25.15%,加速度最大减小14.33%,进水塔关键点最大拉应力降幅可达12.0%以上;考虑地基的辐射阻尼效应时,进水塔结构的动力响应明显减小,其关键点的最大拉应力降幅可达40%以上。相比工作桥,地基辐射阻尼效应对进水塔地震作用下动水压力、加速度、位移和应力响应的影响更加显著。     

拱坝坝体-地基动力相互作用的振动台动力模型试验研究

在振动台上进行拱坝动力模型试验时，设置人工阻尼边界，以模拟地震时地震动能量向无限远域地基逸散的地基幅射阻尼效应。选用液体作为阻尼材料，其厚度根据阻尼液体的黏滞系数、基础材料的弹性模量和密度确定。试验同时模拟坝体-地基-库水的动力相互作用和坝体伸缩横缝的动力非线性影响。通过数值对比计算分析，验证了同时计人上述诸多复杂因素影响拱坝系统动力模型试验研究的可行性。为今后进行类似试验研究，合理评价高拱坝的抗震安全，探索了新的研究途径。     

海船闸气幕防咸数值模拟研究

为分析海船闸气幕防咸机制及其影响因素,采用OpenFOAM?的双流体数学模型和对流扩散数学模型,建立气幕防咸的三维数值模型,开展限制区域内气泡羽流、盐水入侵以及气幕防咸过程的数值模拟.数值模拟结果表明:新模型能够准确模拟海船闸气幕防咸过程;当供气量足够时,气幕能有效阻止盐从底部入侵;气幕防咸效果与气幕弗劳德数有关,且气...     

含气垫调压室的水电站输水系统小波动稳定分析初探

对气垫式调压室的电站输水系统的水力-机械微小波动稳定问题进行了初步分析，讨论了调速器参数、气体多变指数、气室高度、气室压力、运行水头对稳定性的影响，为气垫调压室的合理设计、安全运行提供了科学依据。     

3-D simulation of transient flow patterns in a corridor-shaped air-cushion surge chamber based on computational fluid dynamics

The 3-D characteristics of the water-air flow patterns in a corridor-shaped air-cushion surge chamber during hydraulic transients need to be considered in the shape optimization. To verify the reliability of the water-air two-phase model, namely, the volume of fluid model, the process of charging water into a closed air chamber is successfully simulated. Using the model, the 3-D flow characteristics under the load rejection and acceptance conditions within the air-cushion surge chamber of a specific hydropower station are studied. The free surface waves, the flow patterns, and the pressure changes during the surge wave process are analyzed in detail. The longitudinal flow of water in the long corridor-shaped surge chamber is similar to the open channel flow with respect to the wave propagation, reflection and superposition characteristics. The lumped parameters of the 3-D numerical simulation agree with the results of a 1-D calculation of hydraulic transients in the whole water conveying system, which validates the 3-D method. The 3-D flow structures obtained can be applied to the shape optimization of the chamber.     

野三河水电站气垫式调压室运行参数及控制方法

针对野三河水电站气垫式调压室,提出运行参数与控制方法,以保证输水系统安全稳定运行。通过采用等P0V0(PL)值的运行控制模式,整定运行参数的控制值,综合控制和调节内部水位、气压的变化,使调压室在各种工况下稳定运行时室内P0V0(PL)值保持不变;同时提出了气垫式调压室的运行方式及要求。4年实际运行表明,野三河水电站气垫式调压室运行稳定,运行参数及控制方式是合理有效的。     

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF TURBULENT AIR-CUSHION-CASCADE

Experimental and numerical studies of air-cushion-cascade were conducted and described. The SIMPLE algorithm combined with the normal k-ε turbulence model was adopted to simulate the air-phase flow. The experiment was carried out an IFA 300 anemometer. The flow field was measured for different ratios of main-stream velocity to jet velocity, different numbers of gaps and a couple of gap widths. The contur of the air-cushion was obtained, and the numerical calculations gave a closed-form result. The results show that the air-cushion thickness would increase with the increase of the jet volcoity, gap width and gap number mainly determined by the jet in the former half cascade. The possibility to achieve anti-erosion by the turbulent jet was examined and confirmed.     

气垫式调压室稳定断面积研究

基于刚性水锤理论,考虑了压力管道的水流惯性及实际水轮机特性和调速器作用,运用稳定性理论,推导了气垫式调压室临界稳定断面积的详细公式。在此基础上分析最不利稳定断面积的取值,根据近年来国内十个不同水头段引水式水电站的资料,进行该公式各项参数的统计分析。结果表明:气垫式临界稳定断面详细公式主要由考虑水轮机特性的引水隧洞水流惯性项F_(th1)、压力管道项F_(th2)及调速器特性项F_(th3)三部分组成,在形式上与常规调压室一致,区别仅在于(1+m×p_0/l_0)倍的系数关系。气垫式调压室最不利稳定断面积取决于最大水头与设计水头之间的某个既能满足(1+m×p_0/l_0)较大,也能满足e1的水头。随着电站设计水头的增大,系数(1+m×p_0/l_0)的值也呈线性增大趋势,不能笼统地判断气垫式调压室适用于高水头水电站,应根据电站的工程规模作进一步详细论证。     

固体-液固两相饱和介质耦合动力有限元分析

基于固体介质和液固两相饱和介质动力学方程,采用有限元方法模拟脉冲荷载作用下介质耦合对结构动力响应的影响,并采用黏弹性人工边界模拟地震波的远域能量逸散效应。计算结果表明:介质耦合对地震波的传播有一定的影响;黏弹性人工边界可以削弱地震波在固定边界处产生的反射现象,较固定边界计算结果更符合实际情况。     

边界透气性对降雨入渗的影响

基于水气二相流理论,采用有限单元法计算了不同透气边界条件下的降雨入渗过程,探讨了边界透气性对稳定入渗强度、孔隙气压分布和饱和度分布等的影响。边界透气条件是渗流计算中的一个重要控制条件,传统计算多为定性研究,通过量化透气条件,分析边界透气性对降雨入渗的影响。结果表明:稳定入渗强度与边界透气性密切相关,边界透气性越小,稳定入渗强度受透气性影响越敏感,其敏感性随边界透气性增大逐渐降低,边界透气性对稳定入渗强度的影响呈对数关系。此外,边界透气性越小,降雨入渗过程中孔隙气压力越大,湿润锋推移速度越慢。     

近似正交的曲线网格生成技术研究

基于Thompson曲线网格生成方法,导出一组新的调节函数P、Q的表达式,并给出了曲线网格生成实例。实例检验表明,该调节函数能够对复杂边界的单连通域或多连通域生成理想的曲线网格,即网格近似正交,网格分布能够适应物理量场变化的情形。在实际水利工程流场数值模拟中,该方法能够准确地使用边界条件,提高求解精确度。     

高宽比对矩形方腔内流动及能量损耗特性影响的数值分析

该文采用笔者所发展的二阶分裂步有限元方法,结合大涡模拟技术,在对雷诺数为100的三维方腔拖曳流动模拟的基础上,分析了不同高宽比条件下,矩形方腔内湍流流动及相应能耗场的变化。计算结果表明,矩形方腔高宽比对流场和能量损耗特性具有较强的影响,方腔内湍流对应涡系变化丰富,显示了上述方法在捕捉涡系及其时间演变过程方面具有较强的优越性。从计算结果可以看出,方腔内湍流流动结构呈现竖轴环流和立面环流的规律,在相应的高宽比条件下方腔内流动形成相应完整的回流区。相应流动的能量损耗集中出现在大尺度涡变化丰富的区段,正是对应湍流流动局部阻力损失产生的主要原因。流动和能耗场随时间的变化表明,整个方腔内湍流流动过程呈现出拟周期流动的特性。