溢洪道出口窄缝挑坎特性研究

消能工体型的选择在水利工程设计中至关重要。采用RNG k-ε紊流模型与VOF方法对泄洪过程中溢洪道与水垫塘内的水流进行水气二相流三维数值模拟,研究窄缝型挑坎消能工的水流特点及规律,结果显示,数值模拟计算的水深、水流流态、入水角度等参数与模型试验结果吻合较好,验证了数值模拟的可行性。在此基础上,计算分析了窄缝型挑坎收缩段水流及空中水舌的水力特性,以及水垫塘底板压强分布规律,确定出窄缝型挑坎最大压强所在位置及空中水舌流速变化规律。研究结果表明：窄缝型挑坎束窄水流作用明显,其空中水舌同一横断面的最大流速位置基本相同,同一纵向断面垂向流速差沿程逐渐减小,挑坎收缩段底板处流速大小呈抛物线形分布,而压强分布沿程呈现3个区间3个趋势的分布规律。研究成果可为实际工程中同类型消能工的设计提供参考。     

空中水舌水力特性的数值模拟研究

空中水舌的水力特性与下游雾化及冲刷密切相关,因此得到空中水舌形态、水舌扩散特性和断面流速分布等计算公式十分重要。对空中水舌进行三维数值模拟,在等宽出口形式下,通过改变来流断面水流弗劳德数Fr,重点研究了水舌紊动扩散规律、断面流速分布规律等,并采用理论推导法得到沿程断面平均流速的计算公式。研究结果表明:Fr值越大,水流沿程横向扩散越强烈;水舌横向扩散率初始较大,随着射距的增加,扩散率逐渐减小;水舌纵向厚度同射距近似呈直线关系;断面流速分布服从正态分布,且不同射距处的无量纲流速分布曲线可用同一条曲线表示。     

水垫塘底板稳定水力要素的试验研究及数值模拟

以已实施sk拱坝为研究背景,通过模型试验从泄水建筑出口体型优化的角度对影响水垫塘底板稳定的水力要素冲击压力P进行分析。研究表明,通过优化泄水建筑出口体型,可以使入射水舌在空间更加分散,从而达到减小消能塘底板压力的效果。通过数值模拟对水垫塘底板压力分布及允许值、失稳位置进行研究,物模试验和数模分析均表明最不利板通常位于水舌落点之后,由于表底孔全开联合泄洪,底孔泄流时在一定程度上抵消了表孔泄流对于底板的冲击作用。     

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。     

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     

基于数值模拟的某工程溢洪道方案比选

基于数值模拟方法,利用FLOW-3D软件对某工程溢洪道陡槽方案和比选方案下的泄流能力、水面线、沿程流速分布和沿程压力分布等进行模拟计算,根据计算结果分析两个方案各自的水力要素特点,为溢洪道的方案比选提供有价值的参考。     

高重力坝挑坎体型及水力特性对比

基于水工模型试验方法,利用几何比尺为60的黄河古贤水利枢纽水工模型,研究了连续式、窄缝式、差动式、燕尾式、直边窄缝燕尾式及曲面窄缝燕尾式共6种体型挑坎的水舌特性及水垫塘底板的压强特性。结果表明:连续式挑坎水舌呈连续且集中的形态;当挑角为30°时,窄缝式挑坎并未呈现纵向拉伸的水舌形态,内外缘挑距大,入水宽度小,冲击压强与脉动强度较大;差动式挑坎水舌呈现分层分股的形态特征,入水宽度变大,冲击压强与脉动强度减小;燕尾式挑坎水舌纵向呈扫帚状,水舌面积增大,在空中扩散、掺气、摩擦消散充分,入水宽度大大增加,沿程时均压强未出现冲击压强且脉动强度最大值比连续式、窄缝式及差动式挑坎分别降低59.5%、69.8%和39.4%;曲面窄缝燕尾式挑坎横向收缩与纵向拉伸效果比直边窄缝燕尾式挑坎好,且横向收缩有利于近坝区水体紊动及削弱二道坝区水体紊动;燕尾式挑坎有利于水垫塘底板稳定和下游消能防冲,对于类似高重力坝挑坎体型选择具有一定参考价值。     

窄缝挑坎水力特性三维数值模拟研究

为研究窄缝挑夫水力特性,利用数值模拟技术,结合具体工程实例,通过对曲面贴角体窄缝式挑坎内压力特性、流速分布及挑射水舌形态等水力参数进行计算分析,提取了物理模型无法获得的较为详细的流场信息。该计算结果能够为类似工程起到一定指导作用。     

窄缝消能工水力特性数值模拟

对于窄缝式消能工,收缩比和出口形式是影响其水力特性和消能效果最重要的两个参数。采用RNGκ-ε紊流模型与VOF多相流模型对窄缝消能工进行水气两相流三维数值模拟,模拟收缩比为0.4,出口形式为矩形和底部收缩比为0.5,顶部收缩比为0.7的V形出口两种窄缝体型的水力特性,数值模拟结合龙水电站开口泄洪中孔窄缝消能工模型试验,对比分析了两者在压力、水面线、水舌和落水形态等水力特性的不同,结果表明采用紊流模型模拟研究窄缝消能工的水力特性是可行的;V形出口形式具有较大的优越性。     

窄缝挑坎在高拱坝深孔中的 初步应用研究

在锦屏一级水电站（拱坝坝高305 m）整体水工模型上将窄缝挑坎应用于高拱坝泄洪深孔,对窄缝挑坎体型参数选择和布置进行了试验研究。试验结果表明,窄缝挑坎应用于高拱坝深孔,可以获得窄长下泄水流流态;边墙压力测量结果显示,深孔采用窄缝挑坎后边墙无负压出现,但在窄缝收缩起点附近存在压力增大;射流水舌在水垫塘内纵向扩散效果显著,水垫塘底板时均冲击动压分布相对常规挑坎时而言更加坦化,底板冲击动压差也大大减小,这对水垫塘底板稳定和减小射流冲刷有利.     

细颗粒原状土起动流速试验研究

为了得到更为客观科学的泥沙基本活动规律,利用有压矩形管进行了细颗粒泥沙起动试验。试验结果表明,管内水压力对细颗粒泥沙的起动有重要影响,水压力越大,管中泥沙起动断面平均流速和起动切应力越大。根据有压矩形管的水流分布特性和水压特点,将矩形管中水流转换为普通明渠水流,转换得到的明渠中泥沙起动垂线平均流速与试验矩形管中泥沙起动断面平均流速基本相同,验证了利用有压矩形管进行细颗粒泥沙起动流速试验的可行性和代表性。在试验矩形管与实际明渠的泥沙起动流速转换过程中,并未考虑不同水柱高度下曼宁糙率系数的变化,这方面还有待进一步研究。     

跌坎型底流消能工冲击区时均动水压强分布 与抗冲磨强度确定

在跌坎型底流消能工消力池内水流流态分区的基础上,根据自由紊动射流理论,得出不同入射角度下冲击区时均动水压强半经验公式。利用冲击区底板时均动水压强分布图,在角度和流量不变的工况下,跌坎的变化对底板时均动水压强的影响,以及角度跌坎不变的工况下,流量的变化对底板时均动水压强的影响,显示出冲击区最易遭受冲磨与破坏的区域。以某水库工程为例,由实测数据推求经验公式相关参数,验证经验公式的可行性,进一步结合临底流速求出消力池底板混凝土抗冲磨强度分布图,对底板分区,为合理确定消力池底板混凝土强度等级提供参考。     

Air flow inside a vertical pipe induced by a free-falling water jet

The air flow induced by a water jet freely falling inside a vertical pipe with its top and bottom both open to the atmosphere was investigated experimentally and numerically. In the experiments, the radial air velocity distribution and the air pressure variation along the vertical pipe were measured. The air drag of the falling water jet was related to the jet surface disturbance and analyzed by introducing the equivalent friction factor. A predictive model was developed for the air flow inside a 3-m-high pipe based on the momentum equation and its results compared well with the experimental measurements. Numerical simulations were also conducted by approximating the free-falling water jet as a continuous moving solid with diameter and velocity varying in the direction of motion. The effects of pipe size on the air velocity profile and the induced air flow rate were examined. The simulation results showed that the streamwise air velocity profiles inside pipes of different sizes approached the same after a certain traveling distance. The maximum induced air flow rate was found at the pipe diameter of about 20 times of initial water jet diameter.     

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。     

不同入射角浅俯淹没射流水力特性试验研究

该文设计不同入射角的浅俯淹没射流,对水垫塘中轴面二维流场的水力特性开展试验研究,得到了不同入射角的底板动水压强分布规律和淹没射流区及贴壁射流区的最大流速沿程分布,滞点及其最大底板动水压强和最大近底流速与入射角间的关系式。研究结果表明,不同入射角的浅俯淹没射流作用在底板上的动水压强,尤其在冲击区半扩展长度范围,具有相似的分布规律。入射角大于25°时,淹没射流沿入射角直线扩散;入射角小于25°时,淹没射流主体段在下游漩滚挤压作用下向上游偏转,动水压强最大的冲击滞点偏向上游。     

推移质运动对清水和宾汉体泥浆湍流结构的影响

通过试验研究了清水湍流和泥浆湍流中加入推移质后时均流速分布、脉动强度、概率密度分布、相关系数、频谱密度分布等的变化.试验结果证明,清水和泥浆湍流中加入推移质后时均流速减小,时均流速梯度增大,脉动加强.泥浆过渡区湍流上部为层流,有流核,加入推移质后,上部层流转变为湍流,流核消失.分析证明,这是由于推移质运动增大了雷诺应力和时均流速梯度,因而增大了时均流动向脉动传递的能量的缘故,清水湍流中加入推移质后脉速概率密度分布偏离正态,偏态系数加大.泥浆湍流中加入推移质后相关系数降低,脉动的随机性增大.泥浆湍流的脉动能量集中于低频脉动.由于推移质也可以吸收低频脉动能来支持其运动,所以加入推移质后泥浆湍流的低频脉动能量降低,高频脉动能量增大.     

冲动式透平平面叶栅内气－固两相流动的试验研究

本文利用高速摄影和图象处理技术真实地再现了平均粒径ｄｐ＝７００μｍ的固体位子流经冲动式透平平面叶栅的瞬间过程，分析了粒子在叶栅内的运动轨迹及其在叶栅内的浓度和速度分布特性。文中还对沿叶栅表面分布的纯气流压力和气相压力进行了测量。结果表明：粒子的尺寸和初始位置对粒子在叶栅内的运动轨迹有很大影响；在粒子与叶片碰撞比较频繁的部位附近，粒子相互聚集，形成粒子聚集区，在此区域内，粒子的浓度比较高，粒子的速度更为复杂；在粒子聚集区附近，气相压力相对纯气流压力的变化值比较大。     

离心力分离液固两相流

本文对旋流器中流体的运动微分方程、流线方程、速度分布、压力分布、能量损失进行了分析。重点是阐述了水力旋流器分离液固两相流颗粒运动状况,研究了不同流态下的颗粒相对运动速度,可除去的最小颗粒粒径以及除砂(泥渣)率的估算方法。     

等宽明渠交汇口流速分布特性数值模拟

明渠水流的交汇现象在涉水工程中十分常见,其中交汇口流速的分布特性复杂,对渠道的设计与维护有着直接的影响。针对明渠交汇流的流速分布特性,基于雷诺方程模型（RSM）与体积函数法（VOF）建立等宽明渠交汇流三维数值模型,结合物理试验数据进行模型验证,对不同交汇角与流量比组合工况进行模拟研究,对交汇口水流流速的分布特性进行分析。计算结果表明,交汇口流速存在分区特征,交汇口内流线弯曲流速偏转,下游会出现回流结构与断面环流现象。当交汇角增大时,水流的偏转幅度更大,回流结构与环流现象增强,分区特征更明显,渠道边壁受到的水体冲击更大;当流量比增大时,主渠水体受到的挤压效应减弱,流速分区特征受到抑制,水流交汇更平顺,边壁受到的冲刷更少。     

双向潜水贯流泵装置内流及水力性能分析

为明晰双向运行时潜水贯流泵装置的内流特征及水力性能,采用数值模拟技术对双向潜水贯流泵装置进行全流道计算,通过模型试验验证数值计算的有效性。结果表明：在叶轮的叶片安放角0°、双侧可调导叶的叶片调节角0°且灯泡体位于内河侧时,泵装置在排涝工况时最高效率为59.29%,引水工况时泵装置最高效率为58.41%;双向运行各流量工况时,叶轮进水侧的过流结构内部流线均平顺流态较好,叶轮出流侧的过流结构内部流态相对紊乱;在双向运行时,直管式流道的出口面轴向速度分布均匀度均大于92%,速度加权平均角均大于89°,直管式进水流道为叶轮提供良好的入流速度分布;在高效工况时,泵装置出水流道进口的偏流角均低于导叶体出口;叶轮所受的轴向力均随着流量的增大而减小。研究成果为双向潜水贯流泵装置的结构优化提供了一定的参考价值。