双浅水垫消力池水力特性的数值模拟与试验研究

结合大渡河泸定水电站右岸2#泄洪洞出口消力池体型优化试验,在一般浅水垫消力池体型的基础上,提出了一种双浅水垫消力池的新体型。为了深入探究该型消力池的消能机理及其水力特性,采用三维RNGk-ε紊流模型对双浅水垫消力池进行了数值模拟计算研究,并与传统的底流消力池及单浅水垫消力池(跌坎式)的数值计算结果进行了对比分析。结果表明,双浅水垫消力池更能充分发挥浅水垫的"垫层"作用,能有效地降低消力池临底流速,水跃流态更好且稳定,消能效果较佳;同时,消力池底板动水压力分布也更加均匀,对消力池稳定性和安全有利。     

黄河大柳树—沙坡头河段典型弯道水流运动平面二维数值模拟

建立了适体坐标系下的平面二维紊流水流数学模型,对黄河在宁夏回族自治区中卫市境内的大柳树—沙坡头河段典型弯道的水流运动进行数值模拟。为了反映弯道环流的影响,对动量方程进行修正,紊流模型采用修正的RNGk-ε模型。通过对黄河大柳树—沙坡头河段连续弯道水流运动数值计算结果与实测结果的对比分析,表明该模型能够准确地模拟具有复杂地形的天然河流弯道中的水流运动。利用所建立的模型计算了4种典型工况下水面的纵比降和横比降,得到一些有益的结论。     

闸下应用废旧轮胎消能防冲的三维数学模型建立

水闸冲刷问题是水利工程中普遍存在的问题,诸多研究人员对该问题进行了系统地研究,研究结果显示使用汽车的废旧轮胎对海漫段增大糙率,可以起到减少冲刷的作用。通过对比分析不同的湍流模型、数值计算方法、网格划分尺度、壁面处理方法,最终采用RNG k-ε湍流模型、PISO算法,将整个流场划分为67.27万网格,选择标准壁面函数对流场进行模拟计算。计算结果与模型试验实测结果吻合较好,说明模型能更好地用于加糙后的流场模拟计算。     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

斜坡上的密度流数值模拟研究

为了探讨均匀密度环境水体中斜坡密度流的运动规律,建立了立面二维RNG k-ε紊流数学模型,通过与已有试验资料对比,验证了该模型的合理性与准确性。利用该模型模拟不同坡角和流量下的斜坡密度流,研究结果表明:密度流头部流速与坡角具有一定的函数关系,存在一个最优坡角使得相同条件下的头部流速最大;头部流速与浮力通量的三次方根之间并非严格的正比例函数关系,在流量较小或较大时将发生偏离;密度流运动过程中,头部形态不断扩大,头部的厚长比逐渐减小;头部扩大的速率随着坡角和流量的增大而增大,最后逐渐趋于一个稳定速率。研究结果能够帮助进一步了解斜坡密度流的运动规律。     

水力自动滚筒闸门水动力特性数值模拟

水力自动滚筒闸门是一种新型水力自动闸门，它利用水压力产生的推动力矩、闸门自重以及闸门配重产生的回复力矩进行自动启闭，以实现水流的自动调节、运行和排沙。鉴于对该类闸门的水力特性还没有充分研究，本文利用RNG 湍流模型对圆筒闸体绕流流场进行了模拟，并对自由水面引入了水－气两相流分层理论中的流体体积分数法（VOF）迭代求解。通过数值模拟，得到不同时刻计算域内的相体积分布、圆筒闸体附近速度场、压力场以及各工况的受力，并与模型试验实测结果进行对比分析，两者吻合较好。说明VOF法可以在圆筒闸体绕流流场自由表面的计算中应用推广，同时，所得结果对水力自动滚筒闸门的设计具有指导意义。     

THREE-DIMENSIONAL NUMERICAL SIMULATION OF AERATED FLOWS DOWNSTREAM SUDDEN FALL AERATOR EXPANSION-IN A TUNNEL

Air entrainment is known to be one of efficient and inexpensive methods to prevent cavitation damages in hydropower projects.The shape of sudden expansion-fall is used as a common device for mitigating cavitation erosions.The complex flow patterns with cavitation are numerically simulated by using the realizable k-εturbulence model and the air-water mixture model.The calculated results are compared well with the experimental results as well as those obtained with the k-εturbulence model with the Volume Of Fluid(VOF)Model.The calculated results agree well with the experimental data for the aeration cavity and wall pressure.Moreover,the air concentration near sidewall is simulated by a mixture model.It is found that the mixture turbulence model is superior to the VOF turbulence model.     

溢洪道挑流消能数值模拟计算模型的选择

采用数值模拟的研究方法,以溢洪道为研究对象,分别采用标准k-ε模型与RNG k-ε模型,对溢洪道进行二维水气两相流数值模拟,通过与物理模型试验数据相对比,探究不同计算模型对溢洪道数值模拟计算所得数据的准确性。经验证标准k-ε模型计算所得结果较为准确,且耗时较短。     

带闸墩溢流坝控泄工况二维与三维数值模拟

引入水气两相流模型,利用k-ε紊流模型模拟银盘水电站带闸墩坝面上的复杂紊流流场,采用非结构网格来处理复杂的边界形状,采用有限体积法进行迭代求解。通过二维和三维模拟计算得到坝面水流的水面线位置、坝面压力分布以及流线分布情况,并将二维和三维数值模拟结果与物理模型试验结果进行对比分析。结果表明,与二维计算结果相比,三维计算结果与物理模型试验结果吻合程度更高,特别是对进口压力与水跃发生点的模拟,三维模拟更加准确。     

水工附环闸门闭门过程水力特性数值模拟研究

基于VOF方法对某水电站中孔事故附环闸门闭门过程进行数值模拟研究。采用三维标准k-ε紊流数学模型模拟计算了相关水流特性,通过对闸门区流道、门叶孔道以及闸门井内流线运动、流速分布、压强分布及门叶所受动水荷载等进行计算分析,得到了事故闸门闭门过程中的相关水力参数随闸门开度变化的曲线。研究成果可为类似闸门体型的设计运行以及工程体型优化提供依据。     

陡坡后消力池内水跃的数值模拟

利用三维RNG k-ε紊流模型和体积率(VOF)跟踪自由水面的方法,对4种不同工况、相同坡角的陡坡后消力池内的水跃特性进行了数值模拟,并与模型试验结果进行了对比.结果表明,不同工况下消力池内水面线特征、流速和水跃长度与模型试验吻合较好,陡坡后消力池内淹没水跃长度大于自由临界水跃长度.同时,数值计算与试验结果均表明,陡坡后消力池内水跃长度不能按照平底矩形水跃长度计算公式进行计算,必须考虑淹没度的影响,从而有效避免陡坡后消力池设计中的不足.     

乱木水库溢洪道水流数值模拟

乱木水库溢洪道采用戽式消力池,池内水流流态复杂,消能效果难以确定.采用基于VOF方法的k-ε双方程紊流数学模型对下游消力池的水力特性进行数值模拟,并优化了体形.     

并列旋转双圆柱流动特性的数值模拟

该文基于k - ε湍流模型,采用Galerkin有限元法对并列旋转双圆柱的绕流特性进行了数值模拟,计算的雷诺数为 1550.为了考查两圆柱旋转和间距的相互作用,文中采用三种间距比分别是T/D = 1.2,1.6和3.0 (T 为两圆柱中心之间的距离,D为圆柱直径) 和一系列不同的旋转速度比 (|α| ≤ 2).计算显示,当 |α| = 0,即圆柱不转动时,对应三种间距有三种典型的流型,单钝体流型对应小间距、偏流对应中等间距和对称流对应大间距;当 |α| 达到临界值时,涡脱落得到了有效的抑制,流动趋于稳定,升力系数和阻力系数的脉动值趋于零;平均升力系数和阻力系数随着 |α| 的增大分别增大和减小.     

泄洪洞扭曲型挑坎数值模拟应用

为探究验证泄洪消能工扭曲型挑坎的可行性和合理性,以红岩河水库右岸泄洪洞末端扭曲型挑坎为例,采用标准k-ε湍流模型和VOF多相流模型对扭曲型挑坎进行水气两相流三维数值模拟。研究结果表明计算域的整体流态及水面线高程与水工模型试验数据吻合良好,计算误差较小;挑距挑高及冲刷坑深度数据均显示挑坎布置合理,运行安全;下游冲刷趋势与流速紊动能分布均显示消能充分,水流顺利归河。为后期使用数值模拟的研究方法对大交角狭窄河道情况及挑流鼻坎型式的优化设计提供了参考和借鉴。     

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。     

挑流消能水气二相流数值模拟

采用VOF法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了全程水气二相流二维数值模拟。模拟了射流的空中轨迹线和水垫塘的自由水面，得到了计算域的流线、压力、流场、紊动能k及紊动能耗散率ε分布，并用物理模型对模拟结果进行了验证，二者吻合良好。说明利用湍流二相流模型及VOF法对空中射流水舌及水垫塘流态模拟是可行的。     

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。     

丁坝冲刷的三维紊流模拟研究

丁坝附近的流态和冲刷情况在工程中一直受到人们的重视.本文采用三维RNG紊流模型,结合璧面函数法,利用VOF方法和空度方法处理不规则边界、河床变形及自由水面,采用不平衡推移质输沙模型,同时考虑床面坡度对推移质输沙及临界启动切应力的综合影响,精细模拟了丁坝附近的流场、地形冲淤变化、冲刷坑形态等,并把计算结果与实验资料进行了对比分析,二者吻合较好.模型准确的反映了丁坝局部流态、冲刷的过程和特征.     

两相流相界面迁移的数值模拟

该文采用VOF法追踪了重力流液液和气液相界面的迁移,发现VOF法可很好地追踪强非线性、大形变的相界面随时间的变化。重点讨论了不同相密度比、黏性比条件下,液液相界面和气液相界面的运动形式,验证了液液相界面主要受Kelvin-Helmholtz不稳定性控制。结果显示：液相密度比越大,液液相界面随时间变化越快,气液交界面不再保持水平位置,而以摆动的形式存在;在黏性比小于5时,黏性比不太影响液液相界面随时间变化。     

新疆五一水库消力池悬栅消能水流水力特性数值模拟

采用RNGk-ε模型,利用VOF(Volume of Fluid)流体体积法追踪自由水面,对迪那河五一水库导流洞出口悬栅消力池内水流水力特性进行数值模拟,将计算的沿程水深、底部压强、流速与物理模型试验结果进行对比,计算值与实测值吻合较好。通过数值模拟研究,弥补了物理模型试验不足,为实际工程设计提供参考。