脉动压力在消力池底板缝隙传播的瞬变流模型和渗流模型统一性探讨

消力池或水垫塘底板发生揭底破坏的主要原因是由于脉动压力在板块缝隙中传播，可能瞬时生成足以抵抗板块自重的脉动上举力，最终导致板块失稳破坏。本文针对脉动压力的两种传播模型，即瞬变流模型和渗流模型，分析其各自的优劣以及适用性，研究缝隙中脉动压力的传播机理。通过理论分析和数值模拟得出，这两种模型是内在统一的，但各自的适用性不同。瞬变流模型对缝隙严重堵塞情形或水力瞬变情形都适用。而渗流模型仅仅适用于缝隙中严重堵塞的情形。     

缝隙中脉动压力传播模型的进一步探讨

高坝下游冲坑的形成发展以及水垫塘底板块的揭底破坏与河床岩石裂隙、衬砌底板缝隙中脉动压力的传播、叠加作用密切相关。缝隙中脉动压力的传播模型有渗流模型、振荡流模型以及瞬变流模型。理论分析证明:3种模型是从不同的动力分析角度研究脉动压力的传播规律,适用于不同的冲刷阶段,但3种模型从根本上是统一的。渗流模型适用于缝隙堵塞较为严重的情况;当缝隙贯通后,水力瞬变作用显著,产生脉动上举力,应用瞬变流模型进行分析更为合理;而当块体在坐穴中做随机振动时,适用于采用振荡流模型。     

脉动压力在板块缝隙中传播衰变机理研究

探讨高坝下游水垫塘内脉动压力在底板缝隙水介质中的传播机理,分析缝隙粗糙程度及堵塞程度对脉动压力传播的衰变影响,进一步阐明脉动压力在水垫塘底板破坏中的作用。基于一维瞬变流模型和特征线法,同时考虑缝隙通道的阻滞作用,对脉动压力在缝隙中的传播进行数值模拟,得出单体板块入口端瞬时感应到低频余弦脉动压力干扰波、出口端分别为盲端和自由端时,不同堵塞系数下底板缝隙中点处的点脉动压力时间过程。分析得出:缝隙中点处的脉动压力是由低频干扰波和由于缝隙中类似于水击的水力瞬变引起的高频波的叠加。受缝隙通道阻滞作用,脉动压力的高频脉动分量在短时间内迅速衰变,时间过程曲线趋于与干扰波同频率的余弦曲线。     

脉动水压力沿缝隙传播的试验研究

利用自行设计的专门实验设备，对脉动压力在缝隙中的传播规律进行了实验研究。结果表明，1) 缝隙内水体流动系受进口边界条件控制的流动；2) 缝隙末端开口时，缝隙中脉动压力振幅沿程减小；3) 缝隙末端封闭时，缝隙内脉动压力振幅沿程增加；4) 缝隙中的脉动压力在传播过程中均出现倍频放大现象。     

环境压力对高拱坝水垫塘水力特性的影响

本研究在常压和减压不同的环境压力下，研究了水垫塘内水流的流态特征、入水射流垫塘底板的冲击压力和脉动压力强度以及拱坝下游坝面的紊流脉动压力强度的特性，给出了不同环境压力下动水冲击压力的沿程分布、脉动压力强度沿程分布以及空间相关曲线。由试验成果发现，减压使水垫塘内水流流态及水力要素均发生变化，本文就这一现象作了初步的讨论分析     

二元射流作用下点面脉动壁压的幅值计算

一、前言 射流冲击是水利工程中常见的重要水力现象。挑流、自由跌流与跌水等泄流方式,射流水舌冲击河床或扩坦均属此种现象。随着高山峡谷修建高坝的发展,采用经坝身挑流、坝顶跌流泄洪的趋势,将有增无减。因而射流作用在河床或护坦上的时均压力和脉动压力,是否可能引起河床严重冲刷、护坦失稳破坏以及能否激起轻型结构强烈振动等问题令人关注。本文拟结合二滩水电站局部水工模型实验成果,进行理论分析,摸索二元射流作用在河床或护坦面上脉动壁压特性,摸索不经实验直接计算出点脉动壁压大小及其分布,进而根据点、面脉动壁压的相关性,推导出点、面脉动壁压转换的简易的解析表达式。     

消力池底板及导墙脉动压力特性试验研究

消力池底板属轻型结构,其结构的振动、抗冲、稳定等均与底板水跃区的水流脉动强度直接相关。依托某工程,对底流消能的消力池底板及导墙脉动压力特性进行了较系统的水力学模型试验研究,通过对水流脉动压力测试数据的综合分析,获得了消力池底板及导墙动水压力的分布规律以及点、面压力脉动的换算关系。研究丰富和发展了消力池及导墙的脉动压力特性研究,可为底流消能形式的水流动力特性深入研究提供科学参考。     

空间水跃底板脉动压强试验研究

对空间水跃底部的脉动压强进行系统准确地量测 ,采用随机信号处理技术进行数据分析。试验结果表明 ,空间水跃脉动压强有关频率、振幅的统计特征值要高于同等水力条件下的平底二元自由水跃 ,其沿程变化规律集中反映了空间水跃的流态特征     

改进的溢洪道底板抗浮稳定计算公式及其应用

通过工程实例,从理论上分析了溢洪道底板发生失稳揭底破坏的原因与机理,阐述了现行规范消力池护坦抗浮稳定计算公式的适用条件,给出了陡槽底板与消力池护坦分缝止水破坏工况下的抗浮稳定计算式.     

不同掺气条件下底板水流脉动压强特性研究

针对水流掺气后对脉动压强特性的改变问题,基于矩形陡槽水工模型试验结果,分析了不同掺气设施及不同通气方式泄槽底板的脉动压力标准差沿程变化规律。分析结果表明,自掺气底板水流脉动压强沿程变化平稳;强迫掺气底板水流脉动压力明显增大,并在水舌冲击区呈单峰规律;单独底坎、单独侧坎和底侧联合坎三种掺气设施中,单独侧坎掺气对底板水流脉动压强影响最小。另外同种掺气设施下,增大流量、增大通气孔面积和采用分散进气方式都会增大泄槽底板的脉动压强。     

基于车流统计的预应力混凝土连续梁桥疲劳性能评价

为研究车辆反复作用下在役预应力混凝土连续梁桥的疲劳损伤情况,对车流信息进行统计,确立标准疲劳车辆模型。建立全桥有限元模型,计算在一辆三轴标准疲劳车作用下沿全桥纵向不同位置混凝土和预应力筋的疲劳损伤度,可知边跨跨中底板预应力筋的疲劳损伤最大。计算在当前车流量,标准疲劳车辆一般运行状态下边跨跨中底板预应力筋的疲劳损伤度,得知其累计疲劳损伤较小,不会发生疲劳破坏;考虑到裂缝、车流量增长和车辆超重超载对桥梁疲劳损伤的影响,以2倍车重的6轴标准疲劳车作为超重车,从桥梁疲劳破坏层面推算出日均超大型、超重车数量不应超过382辆。     

动荷载作用下山区道路边坡耐久性研究

借助威布尔分布函数描述岩坡微元发生破坏前后的存活率,结合损伤力学理论和有限元强度折减法,建立存活率、稳定系数和累积损伤因子的内在联系,实现山区道路边坡在全生命周期内的阶段式预警。结果表明:边坡疲劳稳定系数随疲劳寿命的消耗而降低,具有初期变化敏感、中间缓慢过渡和后期迅速下降的特点,边坡存活率随着剩余寿命和安全系数的减小而减小;边坡全生命周期内的阶段式预警可分为初始蠕变、稳态发展、快速发展、滑动破坏4个阶段,边坡的稳定系数、存活率和道路运营年限均随变形的发展逐渐减小,直至失稳破坏。提出耐久性因子,评价道路边坡在其全生命周期内的耐久性,边坡工程设计中应通过不断调整抗疲劳措施,使其处于稳态发展阶段。研究成果可为边坡工程的安全性与耐久性评价提供有意义的参考。     

抽水蓄能机组压力脉动的测试与分析

通过对广州蓄能水电厂（一期）300MW抽水蓄能机组压力脉动的实测与分析，就测点布置、分析方法与基本参数作了说明，并对测点信号时域特征和频域特性进行了研究，给出了压力脉动沿流道的分布。测试结果表明：导叶前后的压力脉动总是显著存在，其特征频率为叶片倍数转频；其测试结果与分析结论，对于机组的疲劳设计、设备维护和测试系统开发都有重要意义。     

水力机械转轮流固耦合特性分析与设计要素研究

水力机械种类繁多、流动复杂,转轮流固耦合动力特性及如何考虑设计要素对机组安全稳定运行极为重要。论文基于现代水力机械流动分析技术及流固耦合特性分析方法,对转轮的关键设计要素进行探讨,并展示了本课题组在转轮内部流动物理现象如漩涡、空化、压力脉动、含沙水流运动等的模拟、分析、预测方面的技术方法及成果,以及转轮共振和疲劳破坏的流固耦合动力特性分析案例,并对新电站机组选型设计、老电站改造、新型机组研发方面的工程应用进行分析,同时展望了多场计算技术、转轮寿命预测、信息共享平台建立等方面的发展前景。     

基于损伤演化的半均质砂岩本构模型研究

为了对受载岩体破坏过程的损伤演化规律进行探究,利用三轴试验仪对半均质砂岩进行三轴压缩试验,并布置声发射(AE)监测仪,对砂岩变形破坏全过程进行试验研究。分析了不同围压下砂岩三轴压缩各阶段的声发射特征,提出了基于AE事件点数的损伤变量,分别假设损伤演化方程服从韦伯分布和对数正态概率分布,建立了以AE事件点数为损伤变量的损伤演化模型,并引入修正系数对损伤变量D进行修正。结果表明围压越大,声发射活动越弱,围压能够抑制试样内部裂纹的产生和发展,增大试样强度,从而延缓其宏观破坏时间;砂岩的损伤发展主要经过4个阶段,即初始损伤阶段、损伤稳定发展、损伤加速阶段和破坏后损伤阶段。通过对韦伯分布和对数正态分布建立的声发射损伤模型进行比较,发现对数正态分布更适用于描述半均质砂岩的声发射现象。     

混凝土受压疲劳特性及损伤本构模型

基于边界面概念和损伤力学理论，建立了混凝土受压各向异性损伤模型。加载面、边界面方程均以损伤能量释放率表示。在能量释放率空间内，由加载面与初始损伤面、边界面之间的位置描述损伤状态。通过建立累积损伤与相应循环损伤能量释放率阈值之间的关系，确定了疲劳加载中极限断裂面的变化规律。利用变形唯一性假定，得到混凝土疲劳与单调加载的损伤量及应力应变之间的关系，为从全过程研究经历多种形式加载的混凝土性能退化规律奠定了基础。完成了混凝土单调加载、单级疲劳和多级疲劳继而单调加载试验，得到了模型中的参数。经比较，模型计算与试验结果吻合较好。     

Numerical and experimental studies of hydraulic noise induced by surface dipole sources in a centrifugal pump

The influences of the four different surface dipole sources in a centrifugal pump on the acoustic calculating accuracy are studied in this paper, by using the CFD combined with the Lighthill acoustic analogy methods. Firstly, the unsteady flow in the pump is solved based on the large eddy simulation method and the pressure pulsations on the four different surfaces are obtained. The four surfaces include the volute surface, the discharge pipe surface, the inner surface of the pump cavity, and the interfaces between the impeller and the stationary parts as well as the outer surface of the impeller. Then, the software Sysnoise is employed to interpolate the pressure fluctuations onto the corresponding surfaces of the acoustic model. The Fast Fourier Transform with a Hanning window is used to analyze the pressure fluctuations and transform them into the surface dipole sources. The direct boundary element method is applied to calculate the noise radiated from the dipole sources. And the predicted sound pressure level is compared with the experimental data. The results show that the pressure fluctuations on the discharge pipe surface and the outer surface of the impeller have little effect on the acoustic simulation results. The pressure pulsations on the inner surface of the pump cavity play an important role in the internal flow and the acoustic simulation. The acoustic calculating error can be reduced by about 7% through considering the effect of the pump cavity. The sound pressure distributions show that the sound pressure level increases with the growing flow rate, with the largest magnitude at the tongue zone.     

水轮机流道非恒定流对过机鱼体影响研究

基于鱼类借助水轮机流道下行过坝时成活率较低的背景,在利用视频分析技术捕捉草鱼幼鱼通过模型轴流式水轮机下行典型路径的基础上,结合CFD数值模拟技术对水轮机流道非恒定流对过机鱼体的影响进行深入研究。结果表明,水轮机过渡过程中导叶关闭时间与过机鱼体的损伤概率有一定的相关性。随着水轮机导叶关闭时间的延长,鱼体通过水轮机下行的受压力损伤概率降低,但受压力梯度损伤的概率增加。综合比较压力及压力梯度对过机鱼体的损伤影响,表明:导叶关闭时间延长会增加对过机鱼体造成损伤的概率。因此,对于水轮机流道有过鱼需求的水电站,在不影响稳定运行的条件下,为保护鱼体安全过机,应适当降低导叶关闭时间。研究结论可对减小过机鱼体损伤概率的水轮机优化运行提供一定参考。     

穿越河流管道悬跨安全长度判定

采用大开挖直埋方式穿越河流的输油气管道易产生与河床面不发生直接接触的悬空段。为确定管道悬跨安全长度判定条件,对悬跨管道产生损毁的原因进行阐述,并分别从振动、疲劳和屈服破坏等方面对悬跨管道的损毁机理进行分析,借助分析工具对悬跨管道进行绕流、振动、静力和疲劳分析。根据分析成果,提出了穿越河流管道悬跨安全长度的判定条件悬跨段不发生振动破坏、不发生疲劳破坏且不发生屈服破坏。最后,辅以实例进行计算,以供管道建设及防护参考。     

穿越河流管道悬跨安全长度判定简

 采用大开挖直埋方式穿越河流的输油气管道易产生与河床面不发生直接接触的悬空段。为确定管道悬跨安全长度判定条件,对悬跨管道产生损毁的原因进行阐述,并分别从振动、疲劳和屈服破坏等方面对悬跨管道的损毁机理进行分析,借助分析工具对悬跨管道进行绕流、振动、静力和疲劳分析。根据分析成果,提出了穿越河流管道悬跨安全长度的判定条件悬跨段不发生振动破坏、不发生疲劳破坏且不发生屈服破坏。最后,辅以实例进行计算,以供管道建设及防护参考。