水平进水口自由表面旋涡数值模拟研究

旋涡运动是一种复杂的水流运动,目前尚难得出理论上的精确解。自由表面旋涡是水工建筑物进水口前的常见水力学现象,其发生常会对水工建筑物造成不利影响。旋涡数值模拟难度较大,尤其是吸气旋涡较难模拟出。建立了进水口旋涡三维数值模拟的模型,模拟出吸气旋涡现象。分析了计算结果与物理模型试验结果的差异,探讨了VOF法在水气两项流中的运用,为进一步进行吸气旋涡的三维数值模拟提供了一定经验。     

数值模拟在进水口漩涡模型中的应用

数值模拟技术以其成本低、速度快、精度高等优势,活跃于各个领域,在流体力学中也得到了广泛的应用.文章对进水口建立了三维数学模型,并将计算结果和物理模型试验结果进行分析对比,分析了数模结果与物模结果存在差异的原因,对研究进水口漩涡有一定的帮助.     

分层取水式电站进水口水力特性数值模拟研究

为了研究水电站分层取水式进水口的水力特性,以亭子口水电站工程为例,建立分层取水式进水口三维数学模型,采用六面体结构化网格,精细模拟了叠梁门分层取水式电站进水口的固壁边界,对流速分布、水头损失等水力特性进行了研究。计算结果与物理模型试验结果吻合较好。依据研究结果,可优化进水口体型参数,对保证电站安全高效运行具有重要意义。     

立轴混流式水轮机转轮的数值模拟和相应试验结果的比较

介绍了采用商用三维纳维尔-斯托克斯（3D-Navier-Stokes）CFD解算器Ansys CFX分析研究混流式水轮机流量的情况,并将研究结果与闭环水轮机试验台对应的水力模拟试验结果进行了比较。水力模拟试验是采用两个相等的模式（Menter）紊流模型、以比例自适应模拟进行了暂态计算。对开展的实验分析、数字模拟过程,以及分析和模拟结果的对比情况进行了介绍。     

间歇吸气旋涡对进水口消涡工脉动压力的影响及其点面关系的转化

对间歇旋涡作用下进水口消涡工脉动压力特性进行了试验研究，给出了作用于消涡工上的脉动压力的时间相关特性、频率特性以及空间相关特性。由时空相关特性得到涡体的传递速度，在此基础上用数理统计理论将场分布的脉动压力转化为结点荷载，从而为在脉动压力作用下消涡工响应的有限元计算提供了一种荷载补理的方法。     

水电站进水口水流流态的研究

针对某水电站在前期研究中进水口出现间歇性吸气旋涡,本文对进水口修改后的水流流态进行了研究。计算采用κ-ε紊流模型模拟原型比尺的进水口流场,并与按重力相似准则设计的1：50的模型试验进行了对比分析,结果表明：修改后进水口前缘仅存在表面回流,速度环量在回流区从外到内衰减较快,不具备形成立轴旋涡的条件;喇叭形进口段的水流顺畅、进水匀称。本文的研究结果可应用于相关工程。     

浙东引水工程萧山枢纽进水口优化数值模拟

萧山枢纽为浙东引水工程的关键工程,进水口布置合理与否直接影响浙东地区的水资源调度.加上进水口位于感潮河段,水文条件比较复杂.因此需要论证进水口引渠布置的合理性.利用平面二维数学模型对进水口布置进行了数值模拟计算,优化了工程布置,消除了原布置方案引水渠存在的大范围回流区,并分析了工程实施对上游新坝船闸通航的影响.计算成果为工程布置提供了技术依据.     

进水口漩涡的数值模拟

采用RNGk-ε湍流模型对有进水口漩涡进行模拟,得出了漩涡不同阶段的演变过程。分析了漩涡形成的机理,并从模拟结果中分析漩涡的运动特性。     

水电站进水口水力特性数值模拟研究

结合二滩水电站、小湾水电站、洪家渡水电站和天生桥一级水电站,采用k-ε紊流模型对其进水口水力特性进行了三维数值模拟,对进水口水头损失、流速分布及流态等方面进行了总结。数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。     

具有起伏表面的紊流数值模拟

本文将代数应力模型推广应用于具有起伏表面的紊流数值计算.对水面起伏问题进行了研究,首次提出了“弹性盖”的概念,给出了处理起伏表面的方法,依此可计算出自由表面的位置和给出更精确的结果.从而克服了SIMPLE算法在处理水面起伏问题上的弱点,且比MAC等方法简单易行.文中以表面射流和底部射流为例,说明了“弹性盖”法的具体应用,计算结果与试验值符合良好.     

淹没式取水工程附近水流运动三维数值模拟

采用三维水流模型,模拟了淹没式取水工程(单侧引水箱、蘑菇头)附近三维空间内的水流运动。计算发现,取水工程处表层水体中水平流速增量与取水吸水方向可相同,也可相反。结合模拟结果和明渠水流基本理论,探讨了取水口附近水流变化现象的形成机理。理论分析表明,黏性(垂向扩散)、动水压力作用是产生上述现象的决定因子,它们对表层水流变化的驱动方向相反,其综合作用效果随着取水工程之上水深h’的不同而不同。对于单侧引水箱,当h’较小时,黏性扩散作用占主导,取水层与表层水流流速增量方向一致;当h’较大时,动水压力作用占主导,取水层与表层水流流速增量方向相反。较之单侧引水箱,蘑菇头从水平各个方向均吸水,导致了在蘑菇头正上、正下方水域形成2个压力集中区。环绕着这2个区域边缘,靠近取水口的水层由于黏性扩散向中心运动,远离取水口的水层(底层、表层)被向外压出。     

拦河闸引水口三维流场数值模拟

水力发电厂的拦河闸引水口附近的水流流态复杂,且行洪期受泥沙影响较大。通过紊流数值模型对该区域工程整治的三维流场进行了数值模拟。计算结果给出了该区域的三维流速分布,结合泥沙运动特性可预估其工程效益,为相关部门的工程整治方案提供基本数据。     

三座店水库运行50年后取水塔含沙量数值模拟分析

三座店水库所属河流含沙量高,工程建成运用后河道的水沙条件将会发生改变,可能会影响整体河势调整和行洪能力。为准确掌握库区泥沙淤积状况,采用 Delft3D 三维水动力泥沙输移数学模型,对水库运用50年后取水塔各层取水窗口的含沙量进行数值模拟,分析含沙量与流速、含沙量持续时间等特征关系。模拟结果表明：水库运用50年后,左、右泄洪洞和取水塔的含沙量大于原地形含沙量;50年一遇频率洪水含沙量较100年和20年高,垂线平均含沙量由大到小依次为右洞、左洞、取水口;50年系列大于3 kg／m3的含沙量持续时间不超过23．5 d 。     

旋流排螺装置内水流特性数值模拟

旋流排螺装置借鉴旋流排沙的原理,通过装置内产生的螺旋流使水和钉螺分离。为了探明装置内水螺分离机理,必须研究其流场全面图景。采用雷诺应力模型(RSM),结合流体体积函数(VOF)方法对旋流排螺装置的水气两相流进行三维数值模拟研究,并分析研究二次流分布特性。计算的自由水面和三维流速分布均与试验结果吻合较好。计算结果表明:切向流速分布呈现强迫涡特征,流速随半径的减小而减小;隔板能够抑制边壁处向上运动的水流、减弱携钉螺溢出的二次环流,对钉螺的有效排除有着关键作用。研究成果可为控制涵闸渠道钉螺扩散,改进旋流排螺装置提供技术技撑。     

同侧竖缝式鱼道结构优化数值模拟研究

鱼道是保证鱼类能顺利洄游的过鱼设施。通过竖缝相对宽度分别为0.05,0.10,0.15,0.30,底坡为10%的鱼道模型进行数值计算。采用可视化显示及数据分析的方法分析不同竖缝相对宽度、底坡条件下的同侧竖缝式鱼道的水流结构特征。通过模型模拟,分析水流沿水深方向的流速分布情况、主流区最大流速沿程分布及沿程衰减情况,以及在不同竖缝相对宽度和(或)不同流速情况下的紊动能分布情况。综合各物理量的分析,得出竖缝相对宽度b₀/B=0.15、底坡为10%时,水流在池室内能形成较好的适合鱼类洄游的流态:主流区水流横向扩散范围适中,主流区最大流速沿程均匀衰减,回流区面积较为对称,流速较小。     

同侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟

分别采用标准的k-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)对同侧竖缝式鱼道池室内的水流进行了三维数值模拟。对鱼道池室内的流场、雷诺剪切应力等相关水力要素进行了分析,并应用水工模型试验成果对2种紊流模型的结果进行了验证比较。结果表明：2种紊流模型均可模拟同侧竖缝式鱼道水流基本特性,但 RSM 模型流速场的计算结果与水工模型试验结果更为吻合。     

粒子图象测速技术及其在垂直进水口漩涡流场中的应用

本文通过粒子图象测速技术的改进，提出了数字可调脉冲光照和象增强技术，实现了在低功率激光照明下获得高象的流动图象，从而提高流速测量的范围和精度。     

泵站单桩基础水平承载特性数值模拟分析

岸边引水式泵站厂房受较大扬压力作用,同时承受较高的水平向荷载,且偏心距较大,即使增加泵站偏心重量,抗滑稳定安全系数和泵站基底大小应力也难以满足规范要求。而通过解析法研究单桩基础竖向荷载及水平荷载又比较困难,所以采用有限元数值分析,并考虑桩径、桩长、地基土弹性模量等因素的变化,对桩基弯矩与位移的影响进行分析。研究得出:约束桩顶、增加桩径、提高地基土弹性模量,对桩基抵制水平荷载贡献较大;而增加桩长、提高桩基混凝土弹性模量,对桩基抵抗水平荷载效果不明显。通过采用约束桩顶、增加桩径、提高地基土弹性模量等措施,泵站抗滑稳定安全系数及基底应力满足规范要求。     

岸坡水平排水孔的渗流场数值模拟

地下水作用是岸坡稳定性的重要影响因素,在航道岸坡整治工程中,岸坡排水设施必不可少。水平排水孔可以有效排出岸坡土体内部地下水,降低地下水水位。通过三维非稳定渗流数值模拟,分析了岸坡水平排水孔的排水效果。首先,对排水孔室内模型试验进行了数值模拟,结果表明数值模拟结果与试验结果较为一致,坡体中地下水向水平排水孔汇集并排出坡体;之后,对典型岸坡渗流场进行了数值模拟,其结果表明,水平排水孔的排水效果较为明显,可以加深对于渗流场的控制范围,孔深越大,排水效果越好。研究成果可为水平排水孔在航道整治工程的应用提供参考。