梯形透水潜坝三维水流特性的数值模拟

基于OpenFOAM开源程序包,对4种透空率(0.1、0.2、0.3和0.4)潜坝的三维流场进行数值模拟,研究了透空率和流量对透水潜坝周围三维水流特性的影响规律。结果表明:相同流量条件下,随着透空率增大,坝后回流减弱,上升流高度降低,缓流区范围减小,涡量减小,坝体腔内及坝后透水圆孔附近紊动能增大;相同透空率条件下,随着流量增大,坝后缓流区范围增大,回流逐渐减弱,掺混紊动作用加剧,涡量及紊动能的大小和影响范围也逐渐增大。     

梯形透水潜坝附近水面线及透水率

为研究结构物的透水特性和水动力特性,利用PIV流场测量系统专用水槽物理模型试验与Flow3D数值模拟相结合的方法研究均匀开孔的梯形透水潜坝附近水面线及坝体透水率的变化规律。结果表明:潜坝附近壅水及水跌高度随透空率的增大而减小,不同透空率潜坝坝后水面均出现"逆坡现象"。相同断面平均流速条件下,水深越大,相对壅水高度越小;当水深大于2倍坝高时,坝体壅水效果逐渐消失。相同坝前远端水深条件下,随着断面平均流速增大,坝后水跌高度增大。最后利用数模计算结果经回归拟合得到透水率的综合计算公式,经验证该经验公式计算结果和实测值最大偏差不超过5%,具有一定的可靠性。     

开孔促淤板周围水流紊动特性试验研究

为深入了解开孔促淤板周围的水流特性,通过室内概化水槽试验分析了开孔促淤板前后的水流紊动特性,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量了开孔促淤板前后典型断面上的三维瞬时流速,分析了典型断面上的时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果表明:板后近板区出现回流区,且回流区与开孔促淤板格栅位置相对应;板后水流相对紊动强度、雷诺切应力及相对紊动能明显大于板前,开孔促淤板对板后近板区水流影响较大;随着与开孔促淤板距离的增大,回流现象消失,流速变化趋于稳定,水流相对紊动强度减小且最终趋于稳定,相对紊动能出现折减且折减率逐渐降低;靠近近板区xOy面雷诺切应力大于yOz面雷诺切应力,靠近下游xOy面雷诺切应力与yOz面雷诺切应力相差较小。     

方形桥墩紊动特性及尾涡区尺寸PIV试验

为探讨方形桥墩周围紊动特性和墩后尾涡区尺寸变化规律,基于粒子图像测速(PIV)技术对方形桥墩附近水流结构进行了测量,并对不同雷诺数(7500≤Re≤20000)下方形桥墩附近紊动特性和墩后尾涡区尺寸进行了分析。结果表明:墩侧紊动强度沿横向先增大至极大值,而后迅速减小至零附近,且随着雷诺数的增大,墩侧水流紊动的影响范围逐渐扩大;根据实测数据,拟合出桥墩相对紊流宽度和墩后尾涡区相对时均体积与弗劳德数的关系式,两者与弗劳德数分别存在较好的幂函数和二次函数关系,同时拟合得到了墩后尾涡区相对时均面积与相对水深和弗劳德数的关系式,且相关性良好。     

黄河下游滩区含植物水流运动及阻力试验研究

含植物水流运动规律是研究黄河下游滩区防洪的重要内容。通过开展水槽试验，测量不同水深、比降、含沙量条件下的流速分布，研究了黄河下游滩区代表性植物作用下的水流动力特性及阻力变化规律。研究结果表明，植物在非淹没情况下，纵向流速随相对水深增加，表现为先增后减；在淹没情况下，纵向流速沿垂向呈三区“S”形分布特性；相对紊动强度的沿垂线分布特点与纵向流速基本一致，但含沙量越大，水流纵向紊动强度越小。在相同比降条件下，植被糙率随佛汝德数的增加而减小；而佛汝德数一定时，植被糙率与比降成正比；相同比降条件下的植被糙率随含沙量的增加而减小。     

不同加糙方式对明渠水力要素的影响探究

渠道糙率的变化会造成渠道各个水力要素产生相应的改变。通过对梯形渠道进行不同方式的加糙,并用电磁流速仪测量流速,分析在不同加糙方式下流速变化、不同形状的加糙形式对水流流速引起的变化以及糙率和各水力要素之间的关系。分析结果表明：当流量不变、加糙方式一定时,糙率随着设计水深的增大而增大;断面平均流速随着糙体间距的增大而增大;当流量不变、水深一定时,糙体布置间距越小,水流的纵向紊动强度越大;水深和糙体间距不变时,随着流量的增大,水流的纵向紊动强度增大,但变化不明显。     

有植被的河道水流紊动特性模型试验研究

通过物理模型试验,研究了有植被的河道水流紊动特性.试验结果表明,在复式断面河道滩地种植柔性植被后,滩地糙率增大,水流紊动更为剧烈,河道水流紊动强度峰值由原先的滩槽交界区转移到滩地区.滩地的水流紊动强度沿程递减;滩槽交界区的水流紊动强度沿程不断增大;主槽的水流紊动强度主要与床面糙率有关,滩地植被影响了滩地水流的归槽时间,使主槽水流流速沿程增大.     

高重力坝防冲建筑物体型参数对水力特性的影响

高重力坝防冲建筑物体型参数的选取决定了泄洪消能水流的水力特性,从而影响水电站的安全运行。采用水工模型试验的方法,研究了防冲建筑物体型参数对水流的水力特性影响规律。研究结果表明：水垫塘长度的减小,使塘内淹没冲击射流的扩散空间减小、冲击区的紊动增强,导致塘内底板时均压强谷值减小、脉动压强均方根峰值增大、底板安全风险增大;二级消力池池长的减小,使出池临底流速增大、下游冲刷风险增大;二道坝高度的降低,导致水垫塘底板沿程时均压强减小、脉动压力均方根峰值增大、底板安全风险增大,同时导致二级消力池内水跃收缩断面水深增加、跃首区临底流速降低、紊动强度降低、脉动压力均方根峰值减小,但出池临底流速增大。     

刚性淹没球冠状植被水流特性试验研究

本文将植被体型概化为由球状树冠和主干组成的树状植被,采用Micro ADV测量了树状植被影响下明渠水流的流速分布,分析了不同流量和水深条件下4组树状植被对明渠水流的影响,着重研究了树状刚性植被水流的平均流动和紊动结构,比较了多个典型位置处水流的纵向流速、垂向流速以及紊动强度。试验结果表明,水深越小,无量纲纵向流速越大;树冠的形状对水流特性的影响较大,在树状植被附近,纵向流速的垂向分布在树干层近似均匀分布,在树冠层先减小后增大,在无植被层符合对数分布;紊动强度在树冠层较大,在树干层和无植被层较小;通过象限分析,发现下扫作用主要在植被层起主导作用,喷射作用主要在自由水层占主导。     

侧式进/出水口扩散出流紊动强度变化规律研究

为探求侧式进/出水口紊动强度变化规律,构建了RSM紊流模型用于侧式进/出水口流向、横向及垂向三方向上紊动强度研究,分析了进/出水口三方向上紊动强度分布沿程变化,重点关注了拦污栅处紊动强度变化规律。研究发现边、中孔三向紊动强度各断面轮廓基本一致,横向与垂向的紊动强度均小于流向紊动强度。在沿程分布规律上,壁面附近紊动强度在扩散段有减小的趋势,孔口中间紊动强度逐渐增大,水流经过扩散段以后有回转趋势。水头损失与紊动强度呈正相关,紊动产生的水头损失先增大后减小,壁面产生的水头损失与断面平均流速呈正相关。在此基础上,探讨了孔口高度、隧洞坡角、雷诺数对进/出水口三向紊动强度的影响。结果表明,雷诺数、孔口高度、隧洞坡角基本不影响紊动强度场的断面分布及沿程变化规律,但会影响拦污栅断面处三向最大紊动强度值及其所在位置。     

水力插板透水丁坝水流结构随透水率的变化规律研究

为了研究水力插板透水丁坝水流结构随透水率变化的规律,采用ANSYS FLUENT 15. 0,基于RNG k-ε湍流模型,对不同透水率下透水丁坝周围的流场进行三维数值模拟。结果表明,透水丁坝坝体前后压差随透水率的增大逐渐减小,上游坝根处压强最大,坝头下游侧附近压强最小,坝根和坝头部位易发生水毁。回流强度随着透水率的增大逐渐减弱。当透水率达到40%时,回流基本消失,坝后为一个缓流区。不同透水率下水槽同一横断面处流速分布规律相似。随着离丁坝侧河岸距离的增加可划分为流速缓慢增大区、流速迅速增大区和流速稳定区。随着透水率的增大,主流区流速逐渐减小,坝后作用区流速逐渐增大。研究成果能够为透水率这一重要工程设计参数的合理选取提供参考,实际应用中推荐透水率为30%。     

不同透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的试验研究

水力插板透水丁坝新型护岸结构的提出提高了新疆粉细沙河床上治河工程的防洪护岸效益。本文为了探讨透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的影响,利用动床模型水槽试验研究了水力插板透水丁坝缓流效果、局部冲刷及坝后最大淤积高度随透水率的变化规律,为透水率这个重要工程设计参数的合理选取提供理论依据。试验结果表明:水力插板透水丁坝坝后流速的减缓效果明显,且透水率对坝后流速的影响较小;坝头最大冲刷深度随着透水率的增大而变小;坝后最大淤积高度随透水率的增加先增加后减小;当透水率为30%左右时,水力插板透水丁坝的防冲促淤效果达到最佳。     

淹没柔性植物对明渠推移质运动影响的实验研究

由于水流中植物的存在,使推移质泥沙运动规律变得更为复杂,目前,含植物水流中推移质泥沙运动的研究成果较少。实验研究了含淹没柔性植物水流中,不同植物密度及水深对时均流速、脉动强度、泥沙起动流速以及推移质输沙率的影响。结果表明,在植物顶部以下,有植物时的时均流速明显小于无植物时的流速,而脉动强度大于无植物时的脉动强度;当水深相同时,随着植物密度的增大,泥沙起动流速呈逐渐减小的趋势,并与植物密度呈较好的三次方多项式相关关系;植物密度对推移质输沙率的影响并非呈单一变化规律,随着植物密度的增大,推移质输沙率呈先增大然后逐渐减小的趋势,当植物密度相同时,水深越小,泥沙起动流速越小,推移质输沙率越大。     

水工建筑物进水口三维漩涡流场的实验研究

本文利用激光多普勒测速仪对进水口三维漩涡流场进行了量测,给出了切向速度V_0、径向速度V_1、轴向速度V_2及其紊动特性的分布特征。并比较了相同淹没水深、相同进口半径水力条件下与无涡流场的差别。可供科研设计人员参考。     

扭双工字型透水框架防冲机理试验研究

透水框架因具有消能减速进而保护岸滩免受水流冲刷的功能,在河道治理、航道整治中得到广泛应用。最近提出了一种新型透水框架——扭双工字型透水框架,经动床试验表明具有显著的护滩效果,利用Vectrino三维流速仪在变坡水槽上精细测量了新型透水框架附近的水流结构。试验分析表明,扭双工字型透水框架抛投于床面后底层流速骤减(减速率达0.79~0.95)、表层流速增大、过渡层流速梯度加大,垂向流速不再服从对数分布;垂向最大紊动强度出现在框架群顶部附近,水流进入框架群后紊动强度逐渐加强,出框架群后达到极值,底表层紊动强度极值的位置发生偏离,表层位置较底层偏下游内侧;框架群内近底层水体能量大幅消减(消能率达0.93~0.99),下游水体能量恢复距离为38~56 m,利于滩面防护,而侧向边缘水体能量加强,易造成侧沿岸滩局部冲刷。研究成果对扭双工字型透水框架的设计、应用具有一定参考价值。     

射流冲沙研究

作者通过实验和分析，研究了横流中加入平面冲击射流对防止局部泥沙淤积的影响。水槽实验中观测了水射流局部紊动强度变化、射流冲沙范围内局部紊动剪应力分布、泥沙不淤积临界断面的底部垂向紊动强度和射流强度与泥沙防淤尺度的关系。得出了射流影响区水流紊动能随距离的衰减规律和保持泥沙不淤积所需的水流临界紊动强度。统计分析了射流强度与紊动能的变化关系。根据泥沙悬浮理论和射流紊动输沙机理，建立了水射流局部无泥沙淤积长度经验计算式，并以不同特性泥沙的射流输沙实验资料对所建立的计算公式进行了验证，二者吻合良好。     

环形波纹钢管涵洞式鱼道水力特性数值模拟

环形波纹钢管涵洞式鱼道内波纹的粗糙度可以使边界附近产生足够低的流速,鱼类可以由此游向上游。对3种流量0.05,0.07,0.09 m3/s,3种埋深0D,0.1D,0.2D,坡度0.4%工况下,环形波纹钢管涵洞式鱼道内水面线、流速场和紊流场分布分别进行了数值模拟研究。结果表明环形波纹钢管涵洞中,高流速区（无量纲流速大于0.9）位于涵洞过水断面中心区域,高紊流区（紊流强度大于0.2）位于水面中心附近。在涵洞底部边壁附近较大区域内,由于流速较小,紊流强度也较低（紊流强度小于0.1）,鱼类可以由此顺利完成上溯。相比无埋深式涵洞,嵌入式涵洞内平均流速较小,紊流强度变化较为平缓,更有利于鱼类的洄游。