圆中环沉沙排沙过滤池水工模型试验研究

圆中环沉沙排沙过滤池是一种新型的浑水沉沙、排沙、过滤装置,为水沙分离提供了另一种新的思路.通过新疆呼图壁城镇工业供水工程圆中环沉沙排沙过滤池的物理模型试验,初步探明了其沉沙、排沙和过滤的机理.沿圆环周边布置的过流孔可降低池内流速至0.03m/s,形成水流相对比较稳定的区域分离泥沙;倒锥形沉沙池对粒径为0.16mm以上的泥沙沉降率达100％,对粒径为0.075mm以上的泥沙沉降率达82.4％;沉沙池排沙时采用间歇式冲沙,排出的沙量占池内总淤积量的95％;环形布置的过滤槽滤水层可单个依次冲洗,保证连续供水,反冲洗可排出的沙量占槽内总淤积量的83％.与常规水沙分离装置相比,这种新型的装置扩大了泥沙处理的粒径范围,实现了节能减排,环保性处理泥沙的目标.     

低坎分流墩消能工的优化研究

本文以左江水利枢纽的泄流条件为依据 ,进行二元水流试验研究 ,从水流流速分布、河床受冲程度、下游波浪的大小 ,提出了低坎分流墩的关键体型参数的较优值 ,并利用有限元对分流墩优化前后的体型进行了受力分析 ,提出了一种适用于实际工程应用的分流墩体型。     

黄河下游游荡段非均匀悬沙输移特点

黄河下游水流含沙量大,河床调整迅速,河道输沙能力变幅大,输沙过程与规律复杂。因此研究黄河下游泥沙输移规律,是研究河床变形过程、预测河道发展趋势的基础,对水沙治理与河道整治规划具有重要的现实意义。本文以黄河下游游荡段为对象,基于1986—2015年游荡段实测水沙资料与地形资料,分析了花园口-夹河滩河段与夹河滩-高村河段的非均匀沙输移特点。研究结果表明：①输沙率经验公式的相关性与泥沙粒径有关,泥沙粒径越小,输沙率经验公式的相关性越好,细沙的相关系数可达0.99。②排沙比与来沙系数、河相系数均呈负相关,且河相系数较大时,排沙比变幅较小。夹河滩-高村河段的中沙排沙比与来沙系数、河相系数的相关关系较其他粒径组泥沙更为密切,花园口-夹河滩河段则分别为细沙和粗沙排沙比。③在同时考虑了水沙条件与断面形态对河段排沙比的影响之后,输沙率经验公式的精度明显提高,相关系数在0.48 ~ 0.65之间。     

论明槽挟沙水流的阻力

从挟沙水流的能量平衡原理出发 ,指出泥沙的运动从两个方面影响水流的阻力 :一是由于卡门常数的减小而引起的阻力减少 ,二是由于推移质泥沙的存在而引起的阻力增大。两者对阻力的作用正好相反 ,因而挟沙水流阻力比清水可能减小、增大及不变 ,取决于两者的对比程度。并从理论上给出了动平整床面挟沙水流阻力的计算公式 ,该公式的计算结果与实测资料吻合较好     

抽水蓄能电站岔管导流板体型研究

岔管体型对抽水蓄能电站水头损失影响较大,间接影响到电站的运行效益,岔管体型优化是当前研究的一个热点问题。为减小岔管的水头损失,本文在传统岔管设计基础上,提出一种新的岔管导流板设计方法。采用突缩管验证了数值模拟的准确性,通过数值模拟比较了有无导流板的岔管的流速分布,对岔管导流板的体型进行了优化。结果表明：岔管导流板能够减小电站运行时岔管段产生的水头损失,使管内水流流态更加平稳,抽水工况岔管的水头损失可减小43.4%,发电工况水头损失减小12.6%,能有效地改善电站运行效益。     

襟翼高度对混流式水轮机转轮空化特性的影响

空化空蚀作为水轮机运行过程中的常见问题,对水轮机性能以及机组安全稳定运行产生影响。该研究以HLX80-LJ-145混流式水轮机为研究对象,在原始转轮的基础上增加襟翼,利用ANSYS CFX对流量0.6Q_d、0.8Q_d和设计流量Q_d工况点下清水与含沙水的转轮空化现象展开数值分析。结果表明:转轮叶片吸力面靠近转轮出口边出现大面积空化;增加襟翼后转轮进口来流得到分流,水流流态变好,流线顺畅,水流和泥沙流速均减小,空泡体积分数减小,清水介质中流量0.6Q_d工况点减小最为明显,相对减小约16.35%;泥沙对转轮内的破坏减弱,含沙水介质中流量0.6Q_d工况点最大空泡体积分数相对减小约11.34%,空化性能得到改善。     

进/出水口出流扩散脉动流速规律试验研究

侧式进出水口出流工况水流呈现扩散态,拦污栅断面脉动流速很大,可能危及拦污栅安全,其脉动流速变化规律及产生原因有待进一步探讨。本文建立了典型进出水口试验装置,利用激光多普勒流速仪与声学多普勒流速仪开展试验研究。结果表明：在靠近扩散水流末端的拦污栅断面脉动流速很大,流速脉动值可达时均值的1.8倍,平均紊动强度为0.724,该断面流速脉动呈现出明显的正态性,其概率密度分布基本服从正态分布;水流自输水隧洞段经扩散段、调整段、防涡段、向库区流动的过程中,紊动强度沿程呈现先增大后减小的变化规律,水流在输水隧洞段脉动流速小,在扩散段及调整段内脉动流速沿程均较大,脉动流速值接近时均值,甚至大于时均值,进一步解释了拦污栅断面脉动流速很大的原因。拦污栅断面及进出水口沿程的脉动流速规律有别于对脉动流速的一般认知规律。研究成果将为进出水口体型参数优化及分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。     

基于PIV技术的明槽交汇区流场试验研究

明槽交汇水流存在于很多水力系统中,交汇区水流结构十分复杂,对干、支流交汇流场的研究具有重要意义。研究采用能突破空间单点流速测量局限的PIV技术,观测不同汇流比条件下非对称型交汇明槽的三维水流结构,分析交汇区流场的演变规律。试验结果表明,交汇口上游的水面比降随汇流比的增大而减小,交汇口处及下游合流掺混区水面比降随汇流比的增大而增大。交汇口上游各断面垂线时均流速随汇流比的增大而增大,各断面时均流速随汇流比的增加而受到顶托效应的影响越大,交汇口各断面垂线的时均流速随汇流比的减小而减小,分离区随汇流比的减小而增加。PIV技术能良好的观测交汇区水流结构,可应用于明槽交汇区的流场试验研究。     

无压引水洞岔洞水力模型试验及仿真分析

无压隧洞充水过程水流呈现瞬变流特性,岔洞段流态复杂。对无压隧洞卜型岔洞充水过程进行了室内物理模型试验和CFD计算机仿真,试验采用正态模型,数值计算采用标准 湍流模型;研究了闸门不同开度下分水口及闸室段水流流速、压力分布特征和流态变化规律;将模型试验数据和数值仿真计算结果进行了对比分析,给出了充水过程中不同时刻闸前后水面线变化规律,满足分流比的闸门开度组合形式和优化后的岔洞口体型。     

与宽尾墩联合使用的消力池体型优化研究

与宽尾墩联合使用的消力池体型不同,消力池临底流速就会出现不同的分布规律。通过对工程实际中已经存在的几种消力池体型的分析,借助鲁地拉工程试验模型,对与宽尾墩联合使用的消力池体型进行了探索研究。研究结果表明,坝脚处设置双圆弧嵌槽+池末端复合式尾坎组成的嵌槽式消力池,在保持原传统戽式消力池体型整体水流流态不变的条件下,可以利用双圆弧嵌槽对消力池近底水流进行导向,导向后的水流既减小了消力池水流近底流速,又使近底水流的部分旋滚上移,充分利用了消力池中上部水体的紊动消能作用。实测消力池近底流速减小幅度平均在15%~30%之间。脉动压强的测试分析结果表明,最不利运行工况时,嵌槽对脉动压强均方根的减小有一定效果。     

抽水蓄能电站进水口明渠水力优化研究

结合某抽水蓄能电站进/出水口水工模型试验,通过模型试验和数值模拟,对进水口前明渠水力特性进行研究分析。针对原设计方案试验中明渠出现的贯穿水深的不利环流,建立三维模型,采用基于VOF两相流的RNG k-ε湍流模型对其进行优化,提出了增大明渠平面扩散角、降低引渠段高程并在其末端设坎的优化方案。试验结果表明,通过引渠段末端坎的调整,坎后明渠横断面流速分布趋于均匀,消除了进水口前的不利环流,明渠流态明显改善。     

黄河下游河道的输沙平衡关系及应用

Equilibrium sediment transport relations in terms of discharge and channel shape for the lower Yellow River were obtained by introducing the characteristics of sediment transport of the lower Yellow River into the general formulations of equilibrium sediment transport for two-phase heterogeneous flows. These relations can be used for analyzing the characteristics and trend of adjustments in longitudinal and transverse channel shapes of a channel reach in response to variations of flow and sediment load. The applicability of the equilibrium sediment transport relations was verified for adjustment of channel cross section based on the stage-discharge relation of a typical hyperconcentrated flood at the Jiahetan station in 1977, which indicates that the adjustment was not a permanent one.The proposed equilibrium sediment transport relations for the lower Yellow River are closely related to parameters of “equilibrium slope” and “hydraulic geometry” used in river training. Because of the adjustment of channel slope is related to cross-sectional shape, the cross-sectional parameter must be included in the “equilibrium slope”.The equilibrium sediment transport relations for the lower Yellow River provide a quick calculation method for various channel designs. This is very important for transport of sediment from the Yellow River to farmland using irrigation channels, deposition of sediment on floodplains using desilting channels, and reduction of sediment deposition in the lower Yellow River.     

竖井式进/出水口工程尺度SPH方法模拟研究

抽水蓄能电站是清洁能源体系的重要调节设施,进/出水口的水力特性直接影响抽水蓄能电站运维和收益。抽水蓄能电站竖井式进/出水口水力特性的数值模拟多采用基于网格的欧拉方法,但由于弯管段体型突变,导致孔口区域流场计算精度下降。为了克服欧拉法网格畸变的不足,本文尝试无网格的拉格朗日光滑粒子流体动力学SPH方法对含弯管段的竖井式进/出水口水力特性进行工程尺度精细模拟。结果表明,通过GPU硬件加速,实现了工程尺度的千万级粒子数SPH模拟计算,结果精度较高;对比模型试验结果,发电/抽水工况下上水库至直管段水头损失系数模拟相对误差为15.79%和19.51%,孔口断面流速不均匀系数模拟相对误差为6.30%和3.20%;对比PIV测量结果,弯管段模拟结果一致性较高,但扩散段流动分离现象较明显;对比不包含弯管段的Fluent计算结果,导流锥附近无漩涡且孔口回流区域面积更小。研究发现,相较于欧拉法,SPH方法更清晰地模拟流动分离、二次流等复杂紊流现象,且在局部体型突变处模拟更贴近实际流动特征,具有较大模拟应用潜力。     

高比转速轴流泵叶轮与导叶的正交试验优化

高比转速轴流泵广泛应用在防洪排涝等特殊场合,但其水力效率普遍偏低.为提高其水力效率,并达到节能效果,本文对比转速为1400轴流泵的叶轮与导叶采用正交试验进行水力优化,并探究优化前后泵的内流特性.先对轴流泵叶轮和导叶的几何形状进行参数化解析,对参数化后的控制尺寸设置控制因素,以水力效率为指标设计正交试验,并对正交试验结果...     

明渠非恒定流推移质输沙试验研究

为研究明渠非恒定流输沙特性,本文建立了一套非恒定流流速、水深、流量及推移质输沙率测量系统。进行了9组恒定流输沙及3组非恒定流输沙试验,结果表明:恒定流条件下Einstein公式比Meyer-Peter公式具有更好的精度;非恒定流的推移质输沙强度与水流强度变化存在不同步的现象,长时间平均输沙率大于恒定流结果。     

具有弯道的竖井式出水口水流均匀性研究

竖井式出水口水流受弯道段和竖直段影响,竖井周边各分流孔出流不易调整均匀,同时分流孔底板附近易出现反向流速。本文在数学模型得到试验验证的基础上,采用RNG k-ε紊流模型,对具有弯道的竖井式出水口流动特性进行三维数值模拟,分析了弯道段体型和竖直段长度对出流均匀性的影响。计算结果表明,渐缩弯道与等直径弯道比较,当竖直段长度均为2D(D为竖直段直径)时,渐缩弯道的竖井式出水口各分流孔出流较均匀;若采用等直径弯道,对应竖直段的长度增加6D~8D时,其出流均匀程度与渐缩弯道的相当。研究成果对抽水蓄能电站竖井式进/出水口的设计具有指导意义。     

气体涡轮流量计前导流器的数值模拟与优化设计

前导流器是气体涡轮流量计的主要部件之一,其结构直接影响流量计的计量性能。以50 mm口径气体涡轮流量计的前导流器为优化对象,通过CFD数值模拟分析了不同结构参数前导流器的流场速度分布,引入了流场均匀性指数来评价整流效果,提出了针对前导流器结构的优化方案,探讨了优化对安装位置的要求,并对优化方案进行了实验验证。结果表明,导流体长度由25 mm加长至125 mm时,流场均匀性提高,流量计的线性度误差和重复性误差降低,压损减少13.92%;导流叶片由60 mm缩短至15 mm时,流场均匀性提高,流量计的计量性能改善,压损减少20.89%。该优化方法同样适用于其他口径涡轮流量计前导流器的结构优化。     

特约文章：植被对明渠水流及泥沙运动的影响

近年来随着对城市水环境的治理、岸坡的护理、湿地的设计与管理及山区水资源的开发利用,有关植被水力学的研究成果呈指数性增长。目前的研究侧重于植被对水流的影响,而有关植被对泥沙运动影响的成果很缺乏。文章结合作者近期的工作,对在水力学与泥沙研究中有关植被对水流特征长度、床面粗糙度、流速分布、泥沙起动、推移质输沙率及悬沙浓度等的影响进行讨论,并提出有待进一步探讨的问题。