基于Fluent的连续弯道水流三维数值模拟

借助Fluent软件,采用雷诺方程和有限体积法建立连续弯道三维数学模型,并以正弦曲线派生的连续弯道水槽试验结果进行验证,进而采用Fluent软件中的雷诺应力模型对连续弯道水槽试验进行模拟.结果表明:连续弯道内沿程水面呈现出扭曲的现象,凹岸一侧的水位恒高于凸岸一侧,水位横比降明显,最大横比降发生在弯顶偏上游处;连续弯道内水流表层、中层和底层流速沿程分布差别较大,总体上看表层、中层流速大于底层流速;各断面环流旋度大小不同,水面和槽底处环流强度大而水体中部小.     

弯曲复式河槽水流泥沙因子的横向分布模型及其应用

在弯道环流的作用下,滩槽水沙交换的强度和模式明显有别于顺直河道情况,其研究内容相对复杂。目前,对弯曲河道水沙输移规律尚缺乏较系统的研究。将SHIONOKNIGHT方法拓展应用到弯曲复式河槽中研究弯曲河道的水沙因子的横向分布规律,从考虑侧向二次流惯性力和河道弯曲程度的动量方程出发,对水流微小控制体进行了受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,得到了复式断面流速和挟沙力的横向分布规律,最后论证了不同弯道曲率对复式河道水流泥沙因子横向分布的影响。     

小宽深比条件下弯道水流特性的试验研究

在弯道水流中,几何参数宽深比对水流的3维运动特性具有重要影响。由于小宽深比（< 5）河道广泛存在于山区及人工河道中,采用声速多普勒流速仪（ADV）对固定宽度不同宽深比（B/H 分别为1.5,2.0,3.0）的U型弯道内水流流速进行了精细测量,并以水面横比降、横向环流、流速重分布、紊动强度与剪切力为研究内容,讨论与分析了该情况下的弯道水流结构。试验结果表明,在小宽深比条件下增加宽深比时：1）水流动力轴线开始向凹岸偏移的位置提前,因而小流速主流线沿着凸岸流动,直到出弯道才开始向凹岸偏移,大流速则更早地向凹岸偏移;2）横向流速在凹岸开始波动的位置依次靠近上游,3种工况中波动位置分别为120°断面、90°断面及60°断面;3）凹岸表层附近出现次生环流的位置依次提前,其位置分别为120°断面、60°断面及30°断面,并且次生环流强度及范围不断增大;4）床面剪切力不断增大。需要指出的是：3种工况的剪切力在弯道入口断面到弯顶断面之间较大,最大剪切力位置均出现在弯道的前半段,可以推断在动床中弯道泥沙在此段的冲刷比较严重;过弯顶断面后,凸岸床面剪切力大于凹岸。试验结果可以有效地反映不同小宽深比参数对弯道水流结构的影响,并为该条件下的弯道泥沙冲淤研究提供参考。     

弯道横向流动与输沙的探讨

本文由紊流雷诺方程出发,采用普朗特紊流切应力构架和通过因次分析确定的掺长形式,探讨了弯道恒定二元环流的流速分布。导出的环流流速分布公式结构比较简明、合理,与实测资料有较好的拟合性.同时利用环流流速分布公式,进一步探讨了弯道水流中泥沙的横向输移问题,建立了便于数值模拟的计算模式。     

急弯河道壁面切应力及计算方法研究

壁面切应力的准确计算对深入了解泥沙输运及河道演变过程非常重要。当前研究多局限于顺直和微弯河道,对于急弯河道,水流受重力和离心力的双重作用,流态复杂,水面横比降大,并伴随横向环流,壁面切应力影响因素众多,各种计算方法的适用性有待进一步研究。开展180°急弯水槽缓流试验,采用ADV流速仪以及Preston管监测水流的三维流速和动静水压强差分布,分析急弯河道水流纵向流速、横向环流以及湍动能重分布特征。基于以上水流特征,选取四种经验公式法及k-ε数值模拟法计算该水槽控制断面的壁面切应力,对比发现湍动能法、Preston管经验公式法以及k-ε数值模拟法的计算结果不仅在分布规律上,而且在数值大小上都吻合良好,可用于急弯河道壁面切应力的计算。利用数值模拟法计算该水槽内河床及岸坡的壁面切应力分布,结果表明：在进口顺直段内,壁面切应力值较小,且分布均匀,在弯道段内,其值逐渐增大,分布也更不均匀,进入出口顺直段后,岸坡附近的壁面切应力值达到最大;横向上壁面切应力沿底壁分布均匀,而在坡脚附近,水流条件复杂,环流作用大,波动剧烈;横断面最大壁面切应力在弯道作用下从凸岸逐渐偏移至凹岸,与主流变化规律一致;该急弯水槽最大壁面切应力位于弯道内110°断面的凸岸附近以及弯道出口下游0.5m断面的凹岸附近;保持水槽出口水深不变,仅过水流量变化,壁面切应力总体分布规律相似,并体现出“大水趋直,小水坐弯”的特点。成果为急弯河道的水流剪切输移机理、河道演变预测及安全管理等研究提供基础依据。     

二次流对急弯河段水沙输移影响的数值模拟

弯曲河段中因二次流运动引起的横向输沙是引起崩岸的重要因素之一.为研究急弯河段中二次流运动对水沙输移的影响,以下荆江石首急弯河段为例,运用能考虑二次流影响的Delft3D模型对其进行计算,并用实测水沙资料验证模型的可靠性.在此基础上,详细分析了二次流运动对流速及含沙量分布的影响,同时分析了不同位置处二次流附加应力项、水面比降项及阻力项的相对大小关系.计算结果表明:考虑二次流后,能更有效地模拟弯道处的环流水力特性及横向输沙特性;二次流对水沙输移的影响效果在急弯河段十分突出,只有当来流流量足够小时,才能忽略二次流的影响.     

长渡槽段水流运动的复合模拟

长渡槽内水位变化、流速流态等水力特性是工程设计部门甚为关注的问题.南水北调中线一期工程总干渠长约10km的沙河渡槽长宽比大、过水建筑物多等,单独采用物理模型试验进行研究不太经济,单独采用二维甚至三维数学模型进行计算也存在模型参数难以确定的困难,采用复合模拟方法经济有效地解决了以上难题.在设计流量与加大流量的条件下进行计算,得到如下主要成果:沙河渡槽内3个弯道中,鲁山坡落地槽弯道段的横向水面差最大,设计和加大流量工况下分别达0.056m和0.066m;沙河渡槽内水流衔接良好,流态平稳.     

不同水沙条件下弯道河床冲淤与漫滩洪水特性研究

我国西南山区山洪灾害频发,严重威胁山区社会发展和人民生命财产安全。由于地形限制,山区常见弯曲河道,而弯曲段时常发生山洪灾害。以往弯曲河道水沙运动及河床演变的研究成果难以有效识别弯曲河道漫滩洪水下凹岸易灾区域范围。基于四川省芦山县王家村弯曲河道漫滩洪水灾害的现场观测,本文设计了弯曲水槽模型,测量了不同水沙条件下弯道水面超高、河床地形、凹岸水位和滩槽纵向流速,探讨了漫滩洪水的致灾机制,识别了漫滩洪水下弯曲河道易灾区范围。结果表明,上游流量是弯道漫滩洪水致灾的关键因素,而上游泥沙补给是次要因素。弯道水面超高随泥沙补给增加而增大,经对比计算,兰运长等的率定参数能较好预测河床冲淤稳定的弯道水面超高。水流不漫滩时,泥沙补给仅造成弯道凸岸轻微淤积,对弯道凹岸水位提升的影响很小。洪水漫滩后,上游流量增大造成凹岸水位和滩地流速显著增加。随着泥沙补给不断增大,弯曲主河道河床整体淤积,但淤积对水位和滩地流速的影响较小。30-60°断面区域是90°弯曲河道的易灾区范围,这是因为该区域内的滩地流速大于主河道流速和上游来流流速,滩地最大流速出现在弯道50°断面,其值可达上游来流流速的1.3倍。从水动力学角度分析,洪水漫滩时,滩地流速显著增大是王家村弯曲河段弯顶附近滩地成灾的原因。     

曲线坐标系下平面二维水流水质模型的修正

采用边界处正交的曲线网格生成技术处理水流不规则的计算区域边界,基于有关弯道水流流速分布的研究成果,计入弯道环流引起的横向的动量交换,建立了曲线坐标系修正的平面二维水流水质数学模型.采用修正后的模型对实际弯道水流和污染物的扩散输移进行了数值模拟,并与原模型的计算结果及实测资料进行了比较,结果表明该模型能够有效地模拟流线弯曲的复杂水流的水力特性和水质分布.     

一种河道测流方法

从水力学明渠均匀流理论出发，建立了计算测流断面水位和流量的公式。利用这种方法在测流断面水位和水面比降测出之后，即可计算出测流断面流量。     

桥梁设计中各种流量间关系的算法研究

桥位断面往往与水文断面不在同处 ,通过直观的示意图 ,研究各种流量、水位间的关系。即根据互相制约条件从同一水文断面的不同频率转换 ,到同一规定频率不同断面位置转移的演算过程。提出各种方法 ,进行桥位处设计流量、设计水位的推算     

基于ADV的推流式曝气池流场特性研究

曝气池内横向水流对气泡的生成过程有明显的影响,曝气对池内流场也有明显影响。为进一步研究曝气池内流场特性,采用声学多普勒流速仪（ADV）对大尺度Orbal曝气池模型内的流场特性进行了实验研究。结果表明：水流经过弯道后流速分布呈现出内侧小、外侧大的特点,且存在横向流速;进入直段后,流速分布不断调整,内、外侧水流流速差减小,且较浅水深时,流速调整较快。开启曝气盘后与清水时相比,曝气盘上游断面,近水面处流速减小,水面下较深处流速增大;曝气盘下游断面,近水面处流速增大,水面下较深处流速减小;曝气盘下游紊动强度明显增强。     

关于流水步距计算方法的研究

本文从流水步距的本质出发,通过定性分析和定量分析,对流水步距的计算理论进行了探讨,提出了"段时差"和"假定段步距"等新概念;揭示了段时差、假定段步距和流水步距之间的内在联系;建立了确定流水步距的新方法,为流水施工理论的研究和实践提供了新的手段.     

快速路出口匝道衔接段交通特性与安全分析

为了探究快速路出口匝道与下游交叉口衔接段的驾驶行为与安全特性,结合实测换道车辆轨迹数据,分析匝道衔接段车辆轨迹特性和换道位置特性. 利用交通冲突技术,以后侵入时间（PET）为指标对车辆换道风险展开分析,建立有序概率模型识别冲突严重程度的影响因素. 结果显示,用Lorentz分布模型拟合车辆换道位置效果较好,换道类型与跨越车道数对车辆换道位置有显著影响,在强制换道与跨越多车道时换道位置更靠近衔接段始端;相较于普通衔接段,匝道衔接段行车风险更高,主要冲突类型为交叉冲突;衔接段饱和度、换道位置、交叉冲突、强制换道以及违章换道与冲突严重程度显著相关. 匝道衔接段释放车辆的车头时距稳定性差,交织区排队车辆的释放受换道干扰严重.     

黄河公伯峡水电站大坝进水口坝段位移性态分析

公伯峡水电站进水口坝段基础（1961．00m高程）上下游相对垂直位移偏大,并有趋势性;坝段整体持续向下游位移,且有趋势性增长。这些问题是否会影响到进水口坝段的安全运行,是工程十分关注的问题,也是水电站大坝安全运行重点关注的问题。为了准确的掌握进水口坝段的运行状态,在对监测系统进行评估的基础上,经过对公伯峡水电站进水口坝段变形观测资料以及对公伯峡地区气候、气象资料的分析,初步得出结论：水库蓄水的前3年,是进水口坝段基础（1961．00m高程）上下游相对垂直位移和顺流向水平位移趋势性增大较快的时段;也是进水口坝段垂直位移和水平位移年变化量值较大的时段。2006年以后上述位移的年变化量逐年递减,但是此位移的趋势性依然存在。     

明渠扩散段急流运动特性及调控方法研究综述

依据文献分析了有限宽度水槽突然扩散、固定扩散角渐变扩散、无边界平板扩散和急流扩散4种典型明渠扩散段水流的共同流动特征.给出了有限宽度水槽突然扩散段水流宽度的沿程发展规律,以及在平底明渠急流扩散段设计时,为防止水流脱离的扩散角计算方法和突然扩展区急流扩散的边界方程;通过不同底坡比降的试验和原型资料分析,论述了陡坡扩散区水深沿程变化特点、沿程各断面横向分布规律,介绍了陡坡上水平扩散角的计算方法与扩散角最大值的存在.通过大扩散角水槽试验,发现在扩散段不同流态的过渡水流现象及稳定性不一样.上游来流为急流时,下游水跃进入扩散段就是水流失稳、主流偏转的开始;采用潜没式三角翼可以防止扩散段回流发生,提高过流均衡性.     

基于交叉控制流混淆技术的编译方法

为了保护软件知识产权,阻止逆向工程和静态分析,研究内置迷惑技术的编译器.提出交叉控制流的代码迷惑技术以及应用这种技术的编译实现方案.给出if语句和while循环语句控制流交叉原理,产生多入口多出口控制块,使代码控制流复杂化.同时把被保护代码块放置于交叉控制块间,以达到隐蔽真实控制流的目的,因而能有效阻止自动反编译并增强软件分析的难度.由于源代码级不可形成控制交叉,给出内置此功能的兼容编译实现方法,使得程序员书写的代码简单而安全.经仿真和分析,提出的技术对代码具有很好的保护效果,编译后的目标指令有略微增加,而运行效率几乎不受影响.     

远程交会的可交会区和追踪窗口集设计

文章研究了在时间和燃料约束下实现空间两异面椭圆轨道间远程交会的可交会区、初始目标区和追踪窗口集的确定方法。首先定义了远程交会中可交会区、初始目标区和追踪窗口集的概念。基于双脉冲Lambert交会理论,提出了两异面椭圆轨道间远程交会的可交会区等区域的确定方法;设计了基于Newton-Raphson方法的全局迭代搜索算法,实现了对不同交会时间条件下满足总脉冲约束的以上区域的确定。通过算例仿真,分析了以上区域大小和分布与约束条件之间的关系。结果表明该方法可以快速准确地确定远程交会任务中的可交会区和追踪窗口集,可用于评估交会任务的可行性、执行时机以及交会时间和能耗等,为航天器任务选择和设计提供参考依据。     

楔体外部超空泡形状预测

研究了薄楔体外部定常和非定常超空泡流问题.采用时间有限差分离散化方法求解超空泡流积分方程,得到了问题的数值解.给出了Froude数对铅垂超空泡长度和形状的影响,以及楔角或空化数作非周期变化,特别是较高频率脉冲变化时,超空泡长度和形状的非定常变化过程.应用Logvinovich空泡独立膨胀原理对空泡形状的非定常变化过程作了定性解释.     

复式断面弯道段的水流流态研究

对复式断面弯道段的水流流态进行了概化模型试验，采用W形波纹凹槽方式加糙，使糙率达到了模型试验的要求.基于试验结果分析了弯道段的流速场和流速分布特征.当小流量时水流动力轴线的位置取决于主槽的位置，当大流量时水流动力轴线的变化规律接近矩形断面的情形.建立了水流动力轴线与流量的关系式，探讨了特征断面的水流动量分配系数的变化特点以及水流动量分配方差随流量增大趋于均匀的分布规律，并给出了大河流量与水流动量分配方差的关系式，建立了水流动量分配方差与无量纲水流强度的关系式.