阶梯溢洪道水力模型研究介绍

一、工程简况 蒙格斯威尔(Monksvill)大坝是美国温拿格(Wanaque)南部工程的一部分,该坝在规划设计时,选用了一种阶梯溢洪道。这种溢洪道是对美国水道试验站(WES)的自由溢流反弧形溢洪道标准断面进行改进,沿标准反弧形溢流面的堰顶下端至坝趾的溢流面上,开挖成连续的阶梯。这种阶梯大大地增加了溢流面上的水流消能率,因此可以省去或大大减少在坝趾处修建消力设备的工程量。由于这种溢洪道的特性在过去还没有得到广泛地研究,所以工程设计者们(O’Brinen和Gere工程师等)与美国水力协会、福利兹(Fritz)工程试验室、李海大学等进行合作,对该工程的设计方案进行水力模型研究。     

基于BIM+数值模拟的弧形闸门结构性能分析研究

【目的】溢洪道泄洪是一个复杂的水气交换物理过程,在溢洪道泄洪中弧形闸门发挥着十分重要的作用,泄洪过程中弧形闸门受到水体流激振动导致受力不均匀,造成弧形闸门应力应变计算困难。针对不同开度下水流对表孔弧形闸门结构受力情况,【方法】以某水电站溢洪道弧形闸门为例,采用BIM技术建立弧形闸门和流场计算域模型,通过BIM技术与有限元数值模拟间数据交互建立三维有限元模型,采用Fluent、Static Structural进行网格划分并对不同开度下溢洪道过闸流量和弧形闸门受力情况进行数值模拟,分析溢洪道过闸流量和弧形闸门应力、应变变化规律。【结果】结果显示：过闸流量在误差允许范围之内,闸门应力、应变随开度的不断增加逐渐减小,在闸门开启瞬间产生最大等效应力值为142.2 MPa,最大变形值为3.45 mm;采用BIM技术对弧形闸门进行性能分析,提高数值分析效率,并将数值分析得到的水力信息进行处理赋予BIM结构模型中。【结论】研究表明：BIM技术结合数值模拟技术可以进行水工钢结构性能分析,实现BIM平台与CAE有限元平台数据双向交互,拓宽了BIM技术在水工钢结构性能分析中应用研究。     

迷宫堰过流能力数值模拟

以鞍子河水库溢洪道为研究对象,采用FLUENT软件、利用k~ε湍流模型和VOF法处理自由水面,对迷宫堰过流能力进行数值模拟。数值模拟结果与试验结果对比表明,采用的模型能够较精确的模拟迷宫堰的过流能力。计算发现,迷宫堰在堰上水头较高的情况下,对计算模型的边界条件进行优化后,可以减小计算误差,为迷宫堰的工程设计提供参考依据。更多还原     

迷宫堰过流能力数值模拟

以鞍子河水库溢洪道为研究对象,采用FLUENT软件、利用 k～ε湍流模型和VOF法处理自由水面,对迷宫堰过流能力进行数值模拟。数值模拟结果与试验结果对比表明,采用的模型能够较精确的模拟迷宫堰的过流能力。计算发现,迷宫堰在堰上水头较高的情况下,对计算模型的边界条件进行优化后,可以减小计算误差,为迷宫堰的工程设计提供参考依据。     

基于数值模拟的溢洪道水流沿程变化与护坡高度合理性分析

为研究溢洪道水力特性,验证工程设计方案合理性。基于SolidWorks软件建立溢洪道三维数值模型,使用Fluent软件,运用VOF方法和RNG k-ε 湍流模型闭合N-S方程,对沟水坡水库溢洪道进行数值模拟。通过数值模拟得到的溢洪道水力特性数据与物理模型试验结果进行分析对比,并进一步分析溢洪道水流沿程变化规律,研究表明数值模型的可信度较高,可采用数值仿真方法对溢洪道结构进行优化。同时发现在30 a一遇洪水工况下溢洪道混凝土护坡高度不能满足正常泄洪的问题,提出在斜坡段设置两级水垫塘、加高消力池段护坡高度和缩短尾水渠长度的优化方案;利用数值模拟,分析验证了优化方案的可行性,为工程设计优化提供依据。研究成果为同类溢洪道工程采用数值仿真模拟提供了技术支撑。     

岸边溢洪道过流体形的数值模拟分析

以某大型水电站溢洪道中槽为研究对象,应用数值模拟对其体形进行分析.通过与1:40物理模型试验成果的对比表明,数值模拟能较好地对溢洪道泄流能力、分流墩后水面爬高现象、溢流堰压力特性、掺气坎空腔形态、挑流鼻坎压力特性等主要水力学参数进行模拟,且可信度较高,计算结果验证了溢流堰体形、掺气坎及挑流鼻坎体形基本可行.通过计算还表明,标准k-ε双方程紊流模型不能重现掺气设施空腔回水;VOF模型虽能对泄槽底板气相分布进行定性模拟,但不能对与掺气相关的水力参数(通气井风速、空腔负压等)进行定量计算,通气井尺寸设计需参照物理试验成果.     

弧形闸门自振特性研究

以密云水库第二溢洪道弧门动力问题为背景，考虑禀不对闸门自振特性的影响，采用MSC公司开发的结构计算软件NASTRAN的流固耦合的附加质量数值模型，对该弧门的自振特性进行了分析。通过将该弧门自振频率的有限元计算结果与原型实测值进行对比，验证了有限元计算模型的正确性。同时，还探讨了流固耦合对换闸门自振特性的影响。结果表明，库水对弧形闸门自振频率和振型有显的影响，在弧形闸门设计中，支臂截面特性的选取对弧门的动力特性影响较大。     

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。     

溢洪道弧形闸门存在的问题

改进溢洪道弧形闸门设计，设置反弧形凸缘和侧墙，就可以除去漂浮物，并通过溢流的洪水，延伸的侧墙可以使尾臂免遭洪水的冲击。     

反弧形溢洪道水流的物理模型与数字模型研究

采用物理模型、数字模型等方法完成了标准的反弧形溢洪道水流参数比较研究。物理模型由有机玻璃制成，放在试验槽内。沿溢洪道设有测压点。记录了10种不同水流情况的流量数据与压力数据。用解释雷诺和平均纳维尔－斯托克斯方程的计算流体动力学（CFD）商用软件来建立物理模型。从美国垦务局和美国陆军工程师团各种设计计算图表中内插得到的数据作为压力和流量数据。使用无因次流量曲线对各种方法获得的结果进行比较，并对高、中、低水流量情况的压力进行了比较分析。结果表明，物理模型与数字模型所得出的压力和流量结果极为吻合。数字方法的可用性，以及功效为工程人员设计和分析反弧形溢洪道又提供了一种工具。     

虹吸井溢流堰跌水掺气浓度数值模拟探索研究

滨海电厂排水虹吸井溢流堰跌水掺气是造成受纳海域泡沫污染的重要因素之一,掌握虹吸井段跌水掺气浓度对研究排水消泡措施具有重要意义。鉴于掺气试验物理模型相似性、复杂水流条件下掺气浓度测量精度、模型试验周期和成本等问题,虹吸井物理模型试验具有一定的局限性。随着计算流体力学软件发展成熟,数值模拟方法逐渐成为研究复杂流动的有效工具,且可进行多方案分析计算,对物理模型试验具有指导、补充作用。本文采用FLUENT软件结合VOF模型与标准k-ε模型对虹吸井溢流堰跌水掺气问题进行了数值模拟。通过与物理模型试验结果的对比分析,显示有较好的拟合性。在此基础上,计算分析了虹吸井溢流堰下游不同过流量、不同潮水位和不同跌水高度的掺气浓度变化。计算结果证明此方法可在一定程度上反映掺气浓度的变化规律,并可为不同工程方案掺气程度对比研究提供依据。     

射流对下游河床冲击作用的数值模拟

本文建议一种数值计算方法,用于研究挑射跌落水流对下游河床的冲击作用。研究表明,该方法具有计算工作量小,收敛速度快及计算精度较高的优点,并能较好地解决双自由面和上下游流量分配的问题。计算结果与实验资料吻合良好。     

基于高精度DEM的城市道路积水淹没计算方法研究

针对河南省郑州市城区道路微尺度场景的暴雨内涝积水计算问题,以车载LiDAR技术建立的积水路段高精度格网DEM为基础,按照有源淹没方式,采用种子蔓延法计算积水淹没范围;通过构建郑州市暴雨洪水模型获取暴雨时积水点溢流水量,运用二分法实现淹没水位与溢流水量间的快速逼近求解。以郑州市某积水路段进行实例应用,对比分析计算结果与电子水尺实测水深数据可知,Nash-Sutcliff确定性系数为0.94,RMSE为0.05,相对误差为10.3%,表明淹没计算结果具有较高精度,模拟淹没过程符合该积水区实际淹没过程,研究方法适用于城市街道区域的暴雨积水淹没范围和水深计算。     

基于CFD方法的溢洪道下游水流数值模拟

采用计算流体力学方法对溢洪道的水流进行数值模拟.计算四种不同流速下溢洪道的流速、压力和深度等流量特性.由于实际流动是湍流,因此采用RNG湍流模型进行模拟.将溢洪道测压管压力和流速的数值计算结果与水工模型试验结果进行比较.平均速度值的计算结果与实验结果之间的最大差异为5.47％,测压压力值的最大差异为7.97％.数值结果...     

多弯道溢洪道水力特性数值模拟研究

文中在物理模型试验的基础上,对多弯道溢洪道进行了数值模拟研究。采用FLUENT软件,引入适用于分层两相流的流体体积分数(VOF)模型求解自由水面曲线,成功地对龙屯水库多弯道溢洪道进行了三维紊流数值模拟,得到了自由水面、溢洪道底板压力、断面流速大小和三维流场的分布规律,并将数值模拟结果与试验结果进行了分析对比,两者基本吻合。试验结果表明:合理的选择数值模拟模型及参数,可以很好地模拟水流流态,可为工程所用。     

带泄水洞溢流堰水力特性初步研究

水库溢洪道控制段一般为溢流堰形式,而堰体中有泄水洞的溢流堰在水利工程中并不多见.通过以黑山口水库溢洪道溢流堰为例,采用三维数值模拟方法,研究了带泄水洞溢流堰泄洪时的当量流量系数、流态等水力特性,为水利工程设计提供参考.     

基于SPH方法实用堰水流的数值模拟

以数值模拟实用堰水流为目标,采用光滑质点水动力学方法,根据流量与上游水深关系,得到SPH方法推板模型入流边界。针对SPH方法明渠流动中的入流边界问题,利用添加推板模型的SPH方法对二维实用堰溢流水力特性进行数值模拟,获得实用堰水流水力特性,并进行物理模型试验,验证添加推板模型SPH方法的有效性。通过对流场、断面平均流速对比分析,结果表明:推板模型结果与试验结果吻合较好,推板模型可以准确的描绘水流运动状态;通过流量对比分析,在溢流过程中,推板模型与试验结果平均值相差-1.43%,推板模型可以保持实用堰上游水位恒定,提高计算精度。研究成果初步验证了推板模型的可靠性,为SPH方法入流问题提供了新的解决方法,具有一定的参考价值。     

阶梯式溢洪道泄洪能力随几何形状变化的数值模拟计算

利用ADINA软件的有限元计算流体力学模块,对阶梯式溢洪道不同台阶形状的水流进行数值模拟,预测流动的主要特性。由于实际的流动是湍流,故采用k-ε流动模型,结果表明模拟水流与一般流动特性一致,显示滑行水流流速大于旋涡流速,可采用相同的模拟过程来模拟不同阶梯形式的溢洪道结构,优化阶梯式溢洪道的性能,从消能计算结果来看与相关研究成果吻合,说明该仿真模拟软件作为一种可用于灵敏度分析的工具,是研究阶梯溢洪道等泄水建筑物水流运动规律及消能机理的可靠途径。     

有限元分析在钢闸门计算中的运用

本文运用有限元软件ABAQUS对平面钢闸门建立三维有限元模型,并以此来比较传统计算方法和有限元计算分析。研究结果表明,传统的计算方法偏于保守,计算数值偏大不够经济,而有限元软件计算出的结果因为考虑钢闸门的整体空间结构的作用,数值相对于传统计算方法小。有限元软件计算精度较高,可以作为设计参考。     

CGO软件加载EGM2008重力场模型在GNSS高程拟合中的应用

水准测量和三角高程测量精度较高,但均费时费力,效率相对较低,快速高精度地获取控制点的高程是工程测量领域研究较多的课题。使用华测CGO软件加载EGM2008重力场模型解算工程GNSS控制网,解算后的高程为经过EGM2008重力异常改正后的大地高,再引入少数GNSS高程点,进行高程拟合,获得剩余高程异常,最终得到经过两项改正后GNSS点的正常高。通过几个案例数据的计算分析,表明该方法获得的高程可以达到图根高程控制测量的精度,且精度优于直接进行GNSS高程拟合的高程精度。