截流戗堤单向进占的局部冲刷三维数值模拟

戗堤截流主要在河道截流和堤坝溃口封堵等水利和防洪减灾工程中得到应用,戗堤周围的水力冲刷直接影响工程的安全性。由于戗堤进占过程表现出较强的三维非恒定性,因此目前采用三维数值模型全面细致地模拟进占过程中戗堤周围的三维水流结构和冲刷特性较少。该文基于有限体积法和非结构化的计算网格构建了以水动力学模型、泥沙冲淤和河床变形方程为基础的三维局部冲刷数值模型,从室内明渠截流工程实验中得到的龙口平均流速、上下游水位落差、底床切应力分布与地形变化的关系等结果验证了数值模型的可靠性。利用该数值模型模拟了截流戗堤单向进占方式下不同进占长度时戗堤附近和龙口处的三维水流特性,以及戗堤周围局部冲刷地形的发展。通过分析水流特性与冲刷坑发展的关系,阐述了戗堤周围局部冲刷的物理成因。研究结果表明:涡旋和下潜水流是戗堤附近河床剧烈淘刷的主要原因;单向进占时戗堤对水流具有偏移效应;在初始阶段,冲刷趋势表现为沿堤头的上游至裹头下游形成的斜向轴线冲刷;在冲刷发展过程中,龙口中部出现泥沙淤积,主要冲刷区位于戗堤和裹头绕流后的底床。研究成果进一步表明数值仿真技术可应用于工程截流实践中,能预测截流中可能出现严重堤脚淘刷的位置与趋势。     

天然河道丁坝群局部冲刷三维数值模拟

为研究天然河道中丁坝长度对河床的冲刷影响,基于天然河道形状和实际丁坝群布置,提出适用于天然河道形状的丁坝群局部冲刷计算流体力学(CFD)三维数值模拟方法,建立了滦河马良子段丁坝群三维模型。采用RNG k-ε模型模拟计算,用VOF方法进行自由表面的追踪,并对丁坝局部冲刷坑形态及冲刷深度进行了数值模拟。对比实测数据,数值模拟结果与实测结果非常吻合。针对丁坝群中局部冲刷最严重的丁坝,对其长度进行调整,调整后冲坑深度明显改善。     

丁坝群附近流场及局部冲刷的三维数值模拟

为探索丁坝群附近水流流场,揭示其局部冲刷的形成机理,该文采用Flow-3d软件,选取RNG k-ε湍流模型和以希尔兹(Shields)数为基础的泥沙推移质输沙率模型对上挑丁坝群的周围流场分布和局部冲刷进行了三维数值模拟。研究发现,丁坝群间涡系结构复杂,第一座丁坝坝头处有一对反向的旋涡和下潜水流,切应力达到最大值,使得该位置有较大冲刷坑发生,解释了冲刷机理。冲刷坑的模拟深度和范围与实验结果吻合较好,表明该模型可以用于丁坝群及相关河道整治工程的流场和冲刷坑计算。     

桥台局部冲刷坑内水流运动的三维数值模拟

局部冲刷是河道中丁坝、桥台等破坏的重要因素。这些建筑物周围绕流流场和泥沙运动十分复杂,对冲刷的机理及平衡条件的研究还有待于进一步深入。文中采用k-ε模型对桥台周围平衡冲坑内的流场进行了三维数值模拟,计算结果正确反映了建筑物周围的流速分和紊动动能的分布;根据流场分布分析了冲坑内的旋涡分布规律及其与冲刷的关系,阐述了主旋涡向螺旋旋涡的转化以及冲坑内水流的能量耗散机理。冲坑内的床面切应力的分布反映了床面冲刷平衡条件,数值模拟得到的床面切应力分布表明颗粒运动受到斜坡上重力作用的影响,同时在紊动剧烈的区域还受到旋涡的影响。     

双戗堤截流平面流态及其影响研究

双戗堤截流方式要求上下戗堤分担落差以减小截流难度,但实际应用中水力条件常常难以控制而影响落差分配效果。应用CFD数值模拟方法,对概化边界下双戗堤截流过程进行三维试验研究,探讨上下戗堤之间的平面流态对水力条件和落差分配的影响。结果表明：在上戗堤龙口后促使主流转折造成左右岸逆向双回流的平面流态对下戗分担落差很有必要,采用挑流方式可有效地控制这种流态,但挑流设施的位置和尺寸对流态的形成与稳定有影响,而戗堤间距在稳定的双回流流态下对落差及其分配的影响则较小。     

浙江乌牛新闸闸下三维水流冲刷数值模拟研究

低水头水闸往往具有较大的单宽流量,从而导致过闸水流能量较为集中。经消能工消能后,闸下水流紊动仍较剧烈,具有非常复杂的三维特性,致使常规数学模型较难直观反映实际的闸下水动力及泥沙冲刷状况。采用Flow-3D三维数值模拟软件对浙江乌牛新闸的水动力及闸下冲刷情况进行了模拟,并结合水工物理模型试验成果,对水流流态、流速分布、水面线以及冲刷成果等进行了对比分析,结果吻合较好。证明该软件对低水头闸下三维水流数值模拟和冲刷研究具有较好的适用性,可为今后的研究工作提供技术平台。     

三维水流数值模拟

本文针对三维水流特性，引入通度概念处理不规则计算边界，用ＶＯＦ法追踪自由表面，采用修正的Ｋ－ε模型封闭Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程，分别计算了溢流坝水流及消力池中水跃．计算结果较好地与实验结果符合．     

双丁坝间流场及局部冲刷的数值模拟研究

因双丁坝对河道流场及泥沙冲淤的影响有别于单丁坝,选取实际河道丁坝群中的双丁坝建立三维模型,并拟定5种对比方案,基于计算流体力学(CFD)数值模拟的方法,采用RNG k-ε模型和VOF法捕捉液体自由面进行模拟计算,对比分析了双丁坝协同工作时的水沙运动特性。流速与冲刷深度计算结果表明,当双丁坝长度相差大于10m时,易形成不均匀的河道流场,不利于河势控制;当首、次丁坝长度协调时,冲刷坑尺寸较小,坝间河岸被双丁坝回流区掩护,近岸流速较小,河道流场均匀,对丁坝稳定、河道治理与河势控制效果较好。     

锦屏二级水电站高水力学指标窄戗堤截流方案关键技术研究与应用

锦屏二级水电站工程位于雅砻江大峡谷中.受建筑枢纽布置和施工导流设计方案的限制,工程截流采用单洞导流、窄戗单戗单向立堵进占.为保证截流工程成功实施,联合三峡大学对截流进行了水工模型试验,同时根据实际边界条件对截流关键要素展开了研究,制定了详细实施方案和预案,并对截流期的水文要素进行了实测,并用于指导施工.由于导流洞分流条件达不到设计要求,龙口流态较试验模型发生变化,故因地制宜,改进了特殊材料结构、抛填工艺、抛投方法,使得龙口关键段进占成功.     

桥墩局部冲刷发展过程的三维动网格模拟

基于FLUENT软件的动网格更新技术和用户自定义函数功能实现了桥墩局部冲刷过程的三维动态模拟。以Melville经典冲刷试验为原型,建立数值模型。将河床面设置为主要的动边界,当床面结点瞬时剪应力大于临界剪应力时,结点位置下移,表现为冲刷,引入Van Rijn提出的沉积输运函数来控制河床面各结点的运动速度。数值模拟结果在流场形态,冲坑发生发展过程及冲坑形态均与试验结果较为吻合,模拟的冲坑深度略小于试验结果,误差约13%。误差产生的主要原因为基于雷诺平均N-S的湍流模型不能有效地反应钝形桥墩前端湍流脉动的影响。     

丁坝水流的水槽试验及数值模拟研究

该文进行了丁坝绕流水槽试验,采用测压管和激光多普勒测速仪(LDV)测量了正交绕流单丁坝附近的水位和流速,同时利用商用软件CFX,基于有限体积法,采用k-ε湍流模型,数值模拟了丁坝附近水流的三维流动过程,并将水槽试验结果与数值模拟结果进行了对比分析.实验结果表明,该模型能有效地模拟丁坝附近区域复杂的水流特征,可以在河道整治过程中为丁坝的设计提供基础数据.     

丁坝局部冲刷坑形态演变及冲刷平衡临界条件

丁坝局部冲刷坑垂向冲深、平面宽度及上下游边坡构成了冲刷坑几何形态的三维特征。局部冲刷达到平衡状态时,冲刷坑上下游边坡保持相对稳定的斜率。其与泥沙颗粒水下休止角大小及冲刷平衡临界条件的关系仍不太明确。一系列清水冲刷试验表明,不同来流强度条件下冲深与展宽速率存在非对称特征,坝体上下游边坡斜率随时间演变振荡衰减至相对稳定坡度。坝体上游坡度均较下游陡,比值近似常量为0.5。边坡斜率略小于泥沙颗粒水下休止角,比值下限近似为常量0.7。     

非均质河床双排桥墩局部冲刷数值模拟研究

精确模拟山区河流非均匀沙质河床桥墩的局部冲刷对桥梁设计和安全运行具有重要的意义。以黑石渡大桥河床床沙特征为背景,采用Flow3D软件开展非均匀沙质河床上双排圆柱形桥墩冲刷三维数值模拟研究。为考虑河床非均匀泥沙的悬移质运动、泥沙挟带、推移质输运等过程,在数值模拟过程中,根据非均匀沙质河床的颗粒分布曲线,对所筛取的各个级配范围内的颗粒采用其对应的中值粒径来表征。模拟得到了双柱排桥墩局部流场结构、河床的冲淤变化和上下游桥墩周围冲刷坑形态。研究表明:受桥墩阻水作用影响,墩前壅水、墩后跌水现象明显。墩周冲刷坑基本贯通整个墩周区域,受上游墩保护作用影响,下游墩冲刷坑的发育深度和规模小于上游墩。将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析,二者吻合较好。研究成果可为深入开展非均匀沙质河床桥墩局部冲刷研究提供参考。     

局部断面收缩的溃坝水流三维数值模拟

为研究局部断面收缩对溃坝水流传播的影响,采用压力隐式算子分割法求解雷诺时均方程和RNG k-ε紊流模型,建立了模拟三维局部断面收缩情况下溃坝洪水演进过程的数学模型。采用有限体积法对溃坝水流的控制方程进行离散,利用流体体积函数法处理自由水面,物理变量采用交错网格布置,对局部断面收缩溃坝水流进行数值模拟计算,模拟结果与实体模型试验结果吻合较好。利用该模型研究了溃坝洪水负波的形成和传播过程,得到了负波形成和传播的规律以及溃坝水流的水位变化特征。     

透水丁坝局部冲淤规律试验研究

试验研究了透水丁坝附近河床的冲淤特性,绘制了这一区域的等高线图,分别对不同透水率的透水丁坝附近河床冲淤后的纵向断面、横向断面以及坝轴断面各点高程变化进行了比较.结果表明,透水丁坝的最大冲刷深度小于不透水丁坝,但其下游侧有冲刷槽,其深度从坝根到坝头差距不大,且该冲槽宽度随透水率的增大而增大;透水丁坝对河床的有效影响长度比同样坝长的不透水丁坝略长,最大淤积高程则更高,透水率为30%时的影响长度最大.说明透水丁坝在自身防护和保护范围两方面均优于不透水丁坝.     

大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析

桥墩的冲刷毁坏是桥梁失事的重要原因。为保证桥梁安全,需要准确评价桥墩冲刷深度。本文结合某跨海大桥,使用较为可靠的HEC-18公式对其复合桥墩的局部冲刷深度进行研究。计算结果表明,该大桥最大的可能局部冲刷深度发生在主桥主墩,复合桥墩中群桩部分造成的冲刷深度为桥墩冲刷的主要部分,且随流速增大,其在总冲刷深度中所占比例也增大,总冲刷深度对承台吃水深度变化不敏感。进一步分析表明,复合桥墩的冲刷深度随水流斜交角的变化规律与简单桥墩有较明显区别,关系更为复杂。     

黏土海床管道局部冲刷的模拟研究

基于黏土的流变特性,将黏土视为一种流体,用Herschel-Bulkley模型模拟,采用计算流体力学(CFD)软件Fluent建立二维管道冲刷模型,结合SST k-ω 湍流模型以及VOF两相流模型对黏土海床上管道局部冲刷进行数值模拟研究.研究分析表明:海底管道的存在增加了海流对海床的剪切应力,随悬空高度增大,海床剪应力...     

Impacts of ice cover on local scour around semi-circular bridge abutment简

The presence of ice cover in winter can significantly change the flow field around bridge abutments, which can also cause a different local scour pattern. To investigate the impacts of ice cover, results from a recent flume experiments were presented. Smooth and rough ice covers were created to investigate the impacts of ice cover roughness on the scour geometry around the semi-circular abutment. Three bed materials were used, with 50D s of 0.58 mm, 0.50 mm, 0.47 mm respectively. Scour volume and scour area were calculated. It was found that the maximum scour depth was located 75o inclined to the flume wall. Under rough ice cover, the scour area and scour depth were the largest. An empirical equation on the maximum scour depth was also developed.