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.     

Numerical study of flow fluctuation attenuation performance of a surge tank

The surge tank plays an important role in ensuring the stability of a water flow standard device. To study the influence of the structure and the working conditions on the regulator performance of a surge tank, a three-dimensional model, including a surge tank, the pipeline and the water tank is built, and the VOF model in the Fluent software is used to simulate the two-phase pulsatile flow in the surge tank. The inlet flow pulsation is defined by the User Defined Functions （UDF）, and the outlet flow is set to be a free jet. By calculating the flow fluctuation coefficient of the variation uader different flow conditions, the influences of the pulse frequency, the initial water level height and the baffle plate structure on the flow stability are analyzed. It is shown that the surge tank has a good attenuation effect on high-frequency pulsations, there is an optimal initial water level to suppress the fluctuations, the round holes of the baffle should ensure a certain circulation area with the bore diameter small enough to have the necessary damping effect.     

CFD模拟粒径对二沉池水流流速的影响

建立了平流式沉淀池水流的两相流模型,应用计算流体力学软件Fluent求解模型。结果表明二沉池内水流速度是非均匀的;证明了悬浮物粒径对二沉池水流和悬浮物流速分布无明显影响,对实际污水厂处理有一定的指导意义。     

水电站调压室内三维湍流场数值模拟

运用计算流体动力学方法(CFD)对某抽水蓄能电站尾水调压室进行了数值模拟。计算时选用适合调压室流动特性的Realizablek-ε湍流模型,采用标准SIMPLE算法,离散格式采用一阶迎风格式。计算结果揭示了调压室内流道流场的速度及压力分布规律,并据此计算出调压室水头损失系数。将水头损失系数计算结果与水力模型试验结果进行比较,发现采用CFD方法计算得到的结果不论在变化规律上还是数值上均可达到与模型试验结果相当的精度,表明CFD方法可以应用于调压室的设计和优化中。     

基于hopf分岔理论的带调压室水电站 非线性稳定性分析

考虑水力系统非线性特性,建立带调压室水电站引水发电系统非线性数学模型,利用hopf 分岔的代数判据理论得到带调压室水电站非线性稳定域,并得到系统的分岔图,同时对非线性稳定域 的影响因素进行分析。研究表明:非线性稳定域要明显小于线性稳定域;调压室面积增大对系统的稳 定性有利;当调压室面积大于托马稳定断面F>F}时,Tn值对非线性稳定域有明显的影响,而当调 压室面积小于托马稳定断面F < F}时,Tn值的变化对稳定域的影响并不十分明显;同时随着负荷扰 动量的增大,系统的稳定域减小。     

WEAKLY SWIRLING TURBULENT FLOW IN TURBID WATER HYDRAULIC SEPARATION DEVICE

This article deals with the characteristics of weakly swirling turbulent flow field in a Turbid Water Hydraulic Separation Device （TWHSD） through experimental and numerical researches. The flow field was measured by PIV, which provided streamlines, vortex structure, vorticity and velocity distribution in different test planes in the TWHSD. On the basis of the experimental results, the tangential and radial velocity distributions of the swirling flow field were obtained. Meanwhile, the numerical simulations were conducted with the RNG κ-ε and RSM turbulence models, respectively. According to the experimental and numerical results, the characteristics of the clear water flow field inside the TWHSD were determined. In view of simulation accuracy and time consumption, it is suggested to apply the RNG κ-ε model instead of the RSM model, which is more time consuming, to make further study on two-phases flow fields in the device.     

水电站长输水道管流气泡动力特性研究

本文以水电站瞬变过程中调压室漏空压力钢管中的气液两相流作为研究对象，在模型实验的基础上，探讨了气泡对管道水压变化的影响及其数学描述.由流动的连续性，导出了瞬变过程中计算调压室进气流量的公式；引入了气团质点的新概念，将每一时间步长内进入压力管道的空气视为一个质点；发展了用拉格朗日研究固体质点运动的方法研究气团质点在管道中运动的原理和方法；研究了采用Wylie的自由气体——离散模型计算瞬变压力变化过程.数值计算和模型实验数据的对比表明，本文所发展的数学模型能够较好地描述调压室漏空压力钢管中气液两相流的压力变化过程.     

大涡模拟在水下航行体周围黏性流场计算中的初步应用

在空间过滤得到的不可压缩流动的大涡模拟控制方程基础上,利用基于三阶迎风偏置格式的混合差分及二阶中心差分离散控制方程的对流项及耗散项,离散得到的线性方程组通过无矩阵计算的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss Seidel）分步迭代方法求解.利用大涡模拟（Large Eddy Simulation-LES）方法对水下航行体周围的黏性流场及水动力进行了定常数值模拟,计算得到的速度、压力分布及阻力值与试验吻合较好.     

多孔弹性膜对调压室涌波的削减作用

为减少调压室工程量并保证引水系统安全高效运行,提出了调压室内部布置多孔弹性膜方案,以削减调压室涌波幅度并使波动快速衰减。采用"U"型管水柱振荡模型进行物理试验对方案进行了验证,得到了涌波削减效果与多孔弹性膜的开孔面积成反比,与布置层数成正比的规律。通过CFD数值仿真计算对调压室内部的流场特性进行分析,以阐释其消能效果的原理。研究表明,布置多孔弹性膜扰动调压室内部的流场,产生涡带、旋滚和绕流,增大水体波动时的水头损失,使得调压室内水体能量得以耗散,达到快速削减调压室涌波的效果。数值仿真计算结果和物理模型试验具有较好的一致性。对于增加引用流量增效扩容的水电站,设置多孔弹性膜可作为不重建引水发电系统的改造方案。     

波涌畦灌灌水技术要素的优化组合研究

本文将零惯量数学根据加续畦灌田面水流推进曲线确定的间歇入渗模型的结合建立了波涌畦灌田面水流运动的零惯量数学模型，提出了波涌畦灌灌水技术要素的设计方法，依此对灌水方案进行初步设计，然后应用模拟优化技术对波涌畦灌技术要素组合进行模拟－－优化设计，最后以陕西泾惠渠区实际资料为例求得了波涌畦灌水技术要素的优化组合。     

调压井阻抗对水电站引水系统小扰动稳定性影响研究

本文结合安徽响洪甸抽水蓄能电站，分析了调压井阻抗对引水系统小扰动稳定性的影响，计算结果表明，设置适当的调压井阻抗，不但能起到调节管道内压力作用，减少调压井内水位波动，而且可利用较小的调压井断面积来确保系统的稳定。     

多机共尾水调压室流道结构水轮机调节振荡研究

水轮发电机组调节系统的调节品质已成为现代电力系统运行和控制的重要指标之一。本文研究了多台水轮发电机组共用尾水调压室流道结构及其相应的数学模型,数值仿真及实际录波分析的结果表明,多机之间的调节过程存在互相干涉的现象且可造成控制过程的振荡,通过数学模型分析进而得出大扰动下产生系统振荡的成因参数。其后以3台机组共用尾水调压室为例,通过分析包括流道水力结构的控制系统传递函数,选取水轮机调节系统为优化方向,设计了振荡控制器并为其选取了合适的参数,可抑制因多机共用尾水调压室水工结构而形成的调节振荡,实现动态过程的加速收敛与稳定。现场试验证明了控制器的有效性。     

环形UV消毒器流场模拟及湍流模型的研究

为了预测紫外反应器的流场特性,利用CFD技术,分别采用标准k-ε模型、Realizablek-ε模型、低雷诺k-ε模型和雷诺应力模型(RSM)进行了水力特性的模拟.结果表明:在x=0,z=1 cm以及x=0,z=83 cm处,4种湍流模型对z向流速的模拟结果都较符合PIV实验数据,在x=0,z=15 cm处,Realizable k-ε模型的模拟结果偏差较大,在x=0,z=64cm处,标准k-ε模型的模拟偏差较其他3种模型大.综合比较,低雷诺k-ε模型和RSM模型的模拟结果较为理想.     

天然河段港口工程三维流场数值模拟

根据天然河段的地形条件,结合某港口建筑物布置,构建了工程河段流场数值计算模型.基于标准k-ε紊流模型,用有限体积法离散控制方程组,利用全隐式多重网格耦合求解技术,预测了港口工程河段水流流场的变化.     

调压室阻抗孔修圆三维数值计算

为实现物理模型与数值计算的互补,采用k-ε紊流数学模型对阻抗孔修圆进行三维数值计算,得到阻抗孔与调压室底板连接处和与底部流道连接处不同修圆半径时流入、流出大井的阻抗系数,并将阻抗孔未修圆时的计算值与实测值进行对比分析。计算结果表明:阻抗孔未修圆时水流进入阻抗孔后发生突缩,流速分布不均,中间大、周边小,阻抗系数相对较大;阻抗孔修圆后突缩效应明显减弱,水流较为平顺、均匀,阻抗系数明显减小。阻抗孔修圆优化减小了突缩损失,能够有效减小阻抗系数,即可增大阻抗孔的流量系数。     

基于粒子系统的流场实时模拟

数学模型计算结果的显示大多以后处理的形式出现，存在显示时间滞后、存储数据量大、无交互性等方面的不足．应用计算机图形学中的粒子系统来模拟流场，通过分析粒子的存储结构和出生、发展、消亡的生命历程对流场模拟的实时性和模拟效果的影响，从显示方面提高了系统运行的实时性与真实性；采用调整显示时间的方式实现计算和显示时间同步及数据的实时传输，开发了集实时计算和显示于一体的流场模拟系统。     

上游并联双调压室水电站瞬变流特性分析

由于长引水式水电站受地质地形条件、工程施工条件和系统运行稳定性等因素限制,为保证其安全运行,设置并联双调压室。通过建立调压室上游侧各支路阀门瞬变流水力特性的分析模型,以及考虑并联调压室水力特性的稳定性分析模型,深入分析了系统特殊的爆管瞬变流过程和水力振动特性。结果表明:在对应不同的爆管口直径同一爆管点位置,蝶阀至调压室之间管段最大瞬时流量为额定流量的1.14~2.21倍。随着爆管口直径的加大,不同特征管段的最大瞬时流量增大。考虑同一爆管口直径对应不同的爆管点位置,蝶阀至调压室之间管段最大瞬时流量为额定流量的1.25~1.67倍。随着爆管点和调压室距离增大,不同特征管段的最大瞬时流量增大。在任一支路爆管等不利情况下,通过相应支路阀门的控制可以降低复杂的瞬变流过程对另一正常运行支路的影响。研究所得水力—机械系统特征值分析成果对揭示引水系统水力振动特性具有参考价值。     

Scale analysis of turbulent channel flow with varying pressure gradient简

In this paper orthogonal wavelet transformations are applied to decompose experimental velocity signals in fully develo-ped channel flows with varying pressure gradient into scales. We analyze the time series from turbulent data, to obtain the statistical characteristics, correlations between the adjacent scales and the principal scale of coherent structures in different scales by wavelet transformations. The results show that, in the counter gradient transport （CGT） region, skewness factors and flatness factors deviate strongly from the corresponding values of Gaussian distribution on certain scales. PDFs on each scale confirm this observation. Scale-scale correlations show further that the fluctuations on some certain special scales are more intermittent than nearby. Principal scale of coherent structure is coincident with the scales on which the statistical properties depart from Gaussian distribution. These features are the same for different families of wavelets, and it also shows some different features in the region between favorable pressure gradient and adverse pressure gradient.     

吕泗渔场人工鱼礁群流场效应及稳定性研究

随着海洋渔业资源的衰退和海洋生态环境的破坏,人工鱼礁技术得到迅速发展,成为海洋牧场建设的重要组成部分。采用CJK3D-WEM建立了吕泗渔场组合型人工鱼礁群二维潮流数学模型,模拟了礁群实施后周边海域水动力的变化,并通过分析海床泥沙活动性探讨了礁群的稳定性。研究结果表明:礁体的阻挡作用会在礁体后方形成了一个梭状的缓流区域,离礁体越近流速越小;多礁体之间形成了流速渐次变化的生物和鱼类栖息带,流场效应较好;礁群的实施对海床泥沙活动影响相对较小,短期内人工鱼礁下沉或掩埋的风险较小。     

窄边非加热区对窄缝流道内流场和温场影响的数值模拟

本文运用商用流体动力学软件CFX数值模拟了非加热区对窄缝流道内流场和温场的影响。研究表明,窄缝内横截面中心线上的速度呈梯形分布,窄边附近流速较低,中间高;宽边完全加热时,流体不足以带出加热板发出的热量,使得角部出现热集中现象;而在角部设计有非加热区后,角部热集中现象得到解决,并且非加热区的存在并没有降低主流的速度。