考虑重力及离心力的溢流坝反弧段紊流边界层动量积分方程的数值计算

论文分析了溢流坝反弧段水流的运动特征及影响边界层发展的主要因素,认为溢流坝反弧段水流边界层与绕流边界层是不同的。对于有自由水面存在的反弧段水流,在边界层外水流是有势流动的假设条件下,考虑重力及离心力的作用,提出了反弧段紊流边界层的动量积分方程式,计算结果与实验值比较表明文中的计算模式是正确的,可用于分析计算溢流坝反弧段边界层的发展厚度。     

粗糙壁面溢流反弧水力特性及紊流边界层的研究

本文对溢流反弧（Ｒ＝１００ｃｍ）不同粗糙度模型水力特性进行了系统试验，探讨了壁面粗糙度对反弧水流流速、压强分布及边界层发展的影响。综分析了流速分布的影响因素，得出反弧水流边界层外部势流流速不受粗糙度影响的结论，给出了边界层内流速指数随粗糙度变化的关系式。试验表明粗糙度对离心力压强影响甚微。给出了反映壁面粗糙度影响的边界层厚度计算式。     

曲率缓变型反弧段水流的时均特性

本文提出一种曲率缓变型反弧曲线设计方法，用激光测速系统研究了该反弧水流的时均特性，得出反弧段水流时均流速分布，壁面压强，壁面切应力及紊流边界层的沿程变化，与单圆弧反弧体型试验成果比较表明，的反弧曲率的连续缓变，使壁面压强分布和空化数变化缓和，消除了曲率突变存在的逆、顺压力梯度；过渡层紊流强度减小２０－３０％；切应力系数有所下降，反弧末端切应力系数Ｃ＇ｆ减小１０％，本文还对反弧水流紊流边界层厚度的变     

波浪和水流共同作用下水流时均流速分布

近年来的实验研究表明波流同向与波流逆向时的平均水流流速分布规律相差很大，这些差别是由波浪、水流共同作用所造成的。同时，研究波浪水流共同作用下的水流流速特性对揭示波流相互作用机理也非常关键。本文在建立波流边界层模型的基础上，建立了二维全水深波流数学模型，求解了波流共同作用下边界层内外的流翅构。数值模拟的结果表明：波流同向时上层Euler时均流速减小，波流逆向时上层Euler时均流速增大，数值结果与实验数据有较好的一致性。本文模型的结果较好地解释了波流相互作用的机理。     

EFFECTS OF SURFACE CURVATURES ON HYDRAULIC CHARACTERISTICS AND TURBULENT BOUNDARY LAYER

Some hydraulic measurements have been made in buckets of model overflowdams.The effects of surface curvatures of buckets on velocity,pressure and turbulent boundarylayer have been systematically investigated.The results have shown that the effects of surfacecurvatures on velocity distributions are unproportional and the centrifugal pressure coefficientdefined in the report possesses a transitional quality.A definition of turbulent boundary layerthickness of bucket is suggested and the development of turbulent boundary layer is indicated ex-perimentally.It is found the maximum value of relative boundary layer thickness appears about0.25 of relative arc length.     

尾坎位置对坎式阶梯溢洪道水力特性影响研究

〗坎式阶梯溢洪道具有较高的掺气效率,然而目前为止对其详细流场结构以及消能特性开展的研究尚不多见。为此结合VOF法,采用标准k-ε紊流模型对带尾坎的阶梯溢洪道进行了三维数值模拟,研究了不同尾坎位置对其水力特性的影响。结果表明：随着尾坎向上游移动,水面线和尾坎下游侧的旋涡大小均无明显变化,但尾坎上游侧的旋涡尺度逐渐减小;对于不同体型,同一台阶凸角上流速呈先增加后不变的规律,而对于同一体型,下游台阶凸角上流速大于上游的;台阶水平面上最大压强先增加后不变,台阶竖直面上最小压强逐渐减小,而尾坎下游侧竖直面上最小压强则呈增加的趋势;台阶面上最大紊动能耗散率逐渐增加,而尾坎上的则相反,总的消能率变化甚微。     

曲率缓变型反弧段水流的紊动特性

本文在曲率缓变型反弧段水流时均特性研究的基础上，进一步使用二维激光测速系统对其紊动特性进行探讨，通过试验测得反弧段时均流速分布，流向和法向脉动流速的各种特征值；应用离心不稳定性理论分析了反弧水流特性，阐明沿程断面流速分布在反弧前半部趋于瘦弱，后半部趋于丰满的原因，并说明离心不稳定性作用导致反弧水流的混掺加剧；论证了壁面切应力和紊流强度在反弧后半段逐渐增加的原因；通过试验发现离心不稳定性效应的滞后现     

挑流消能水气二相流数值模拟

采用VOF法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了全程水气二相流二维数值模拟。模拟了射流的空中轨迹线和水垫塘的自由水面，得到了计算域的流线、压力、流场、紊动能k及紊动能耗散率ε分布，并用物理模型对模拟结果进行了验证，二者吻合良好。说明利用湍流二相流模型及VOF法对空中射流水舌及水垫塘流态模拟是可行的。     

壁面粗糙度突变对湍流边界层的影响

本文探讨了湍流在流动不同粗糙度的壁面时粗糙度突变对为点下游流动的影响，假定粗糙度突为引起的扰动小扰动，流动物理量的扰动值满足自似分布，本文分析了得到了描述突点下游流动特性的长度尺度，速度剖面，时均流速及摩阻流速的表达式，并通过实验对理论分析的理论进行了验证。     

往复流作用下悬移质泥沙运动规律的数值研究

本文从水沙两相紊流的双流体数学模型出发,采用直接数值计算的方法,研究了海床面附近边界层内往复流对悬移质泥沙运动的影响。研究方法的有效性通过典型问题的流速分布、紊动能量分布以及泥沙浓度分布的计算结果和实验观测结果的比较得到了良好的验证。本研究还探讨了往复流条件下各类相间作用力的时空变化规律及其对悬移质泥沙运动的影响。     

INCEPTION OF AIR ENTRAINMENT ON STEEP SLOPE

In this paper,based on the momentum integral equation of boundary layer onthe steep slope and the equation of water depth deduced from both the equation of continuity in-cluding the effect of the boundary layer and the energy equation outside the boundary layer onthe steep slope,and with the aid of the function of velocity profile in the boundary layer,thewater depth and boundary layer are numerically computed by Runge-Kutta method.The methoddetermined parameters in the preceding equation are also discussed in detail for the laminar andturbulent flows.The water depth boundary layer and point of inception of air entrainment cal-culated by the method above agrcc extremely well with observed data obtained by prototype.     

The calculation of mechanical energy loss for incompressible steady pipe flow of homogeneous fluid

The calculation of the mechanical energy loss is one of the fundamental problems in the field of Hydraulics and Engineering Fluid Mechanics. However, for a non-uniform flow the relation between the mechanical energy loss in a volume of fluid and the kinematical and dynamical characteristics of the flow field is not clearly established. In this paper a new mechanical energy equation for the incompressible steady non-uniform pipe flow of homogeneous fluid is derived, which includes the variation of the mean turbulent kinetic energy, and the formula for the calculation of the mechanical energy transformation loss for the non-uniform flow between two cross sections is obtained based on this equation. This formula can be simplified to the Darcy-Weisbach formula for the uniform flow as widely used in Hydraulics. Furthermore, the contributions of the mechanical energy loss relative to the time averaged velocity gradient and the dissipation of the turbulent kinetic energy in the turbulent uniform pipe flow are discussed, and the contributions of the mechanical energy loss in the viscous sublayer, the buffer layer and the region above the buffer layer for the turbulent uniform flow are also analyzed.     

泄水建筑物反弧急流水深的显式解

泄水建筑物反弧急流水深是泄水工程下游水流衔接、反弧半径设计、反弧段动水压力计算的重要参数。本文的目标就是探讨具有足够精度又计算方便的泄水建筑物反弧急流水深计算方法。在利用恒定急变流的能量方程对于泄水建筑物的反弧水流进行分析基础上,对恒定急变流的能量方程建立的反弧段水深方程,通过级数展开近似处理,得到泄水建筑物反弧急流水深的显式解。精确解和显式解的误差分析表明,当急变流流速系数在0. 85到1. 0之间变化时,反弧急流水深的误差随着流速系数的增大而减小;当流能比在0. 01到0. 3之间变化时,反弧急流水深的误差随着流能比的减小而减小。建议的公式最大误差小于1. 85%。可见,在实际工程的参数变化范围内,本文建议的泄水建筑物反弧急流水深的显式解形式简单、计算方便、又具有足够的精度,因此可应用于实际工程泄水建筑物反弧急流水深的水力计算。     

分岔管道三维湍流水力特性数值模拟

建立了分岔管道水动力学的计算模型,求解三维贴体坐标系下水流控制方程。计算中采用修正的k-ε湍流模型,应用有限体积法离散方程,物理变量采用同位网格布置,控制体表面上各变量的值用界面动量插值法计算,速度-压力耦合计算采用SIMPLEC算法。本文应用该数值模型模拟了三维弯道水流的水力特性,并与模型试验实测值进行了比较,结果吻合较好。最后应用该数值模型预测了35°分岔管道连接区域三种流动情况的水力特性。     

高水头平板闸门小开度的数值模拟与试验对比

在高水头平板闸门小开度运行条件下,闸后水流流态较为复杂,采用目前计算水面线的公式来研究具有较大难度。Fluent具有稳定性好、收敛速度快的优势,通过结合高水头下平板闸门小开度的水工模型试验利用其建立合理的数学模型,模拟三维门槽水流的速度场与边壁的压力分布,计算模型进口段以及闸后段水流的压力、流速场、紊动能和紊动能耗散率等的分布规律。将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析,二者结果基本吻合,验证了数值模拟方法处理工程问题的可行性。     

泄洪洞扭曲型挑坎数值模拟应用

为探究验证泄洪消能工扭曲型挑坎的可行性和合理性,以红岩河水库右岸泄洪洞末端扭曲型挑坎为例,采用标准k-ε湍流模型和VOF多相流模型对扭曲型挑坎进行水气两相流三维数值模拟。研究结果表明计算域的整体流态及水面线高程与水工模型试验数据吻合良好,计算误差较小;挑距挑高及冲刷坑深度数据均显示挑坎布置合理,运行安全;下游冲刷趋势与流速紊动能分布均显示消能充分,水流顺利归河。为后期使用数值模拟的研究方法对大交角狭窄河道情况及挑流鼻坎型式的优化设计提供了参考和借鉴。     

波流耦合作用下紊流边界层水沙数学模型

在河口地区,波流相互作用下紊流边界层的泥沙起动输移规律非常复杂,深入探讨其泥沙运动规律很有必要。该文基于波浪边界层的控制方程,引入了时均水流压力,通过波流相互作用下的摩阻流速反映波浪与水流的夹角,用标准k-ε模型封闭方程,建立了波流叠加的紊流边界层内的弱耦合水流模型,分别讨论了波浪速度振幅、时均流速等的分布情况,与实测数据对比得到了较好的模拟结果。其次,基于水流模型建立了泥沙模型,采用对称振荡流和波流相互作用两种情况下的泥沙实测数据验证了泥沙模型的正确性,讨论了不同分布规律的涡黏系数对于模型的影响,为实际工程提供理论参考,结果具有一定的指导意义。     

扭曲型挑坎挑流的数值模拟

采用RNGK-ε湍流模型与VOF多相模型对扭曲型挑坎挑流进行水气两相流三维数值模拟,模拟了挑坎里的自由水面与挑流的空中轨迹线,得到计算域的速度、压强、湍动能K与湍动能耗散率ε的分布、内外挑距与水舌宽度,并与物理模型的试验结果进行比较,两者吻合良好,验证了该数值模拟方法的可靠性、合理性。     

考虑壁面阻力水跃共轭水深的计算方法

根据前人对附壁射流区流速分布和壁面切应力的研究成果,通过边界层的动量积分方程研究水跃区的边界层发展和壁面阻力系数的计算方法,通过动量方程研究考虑壁面阻力时的水跃共轭水深的计算方法。研究表明:水跃区的边界层厚度沿程增加;壁面阻力系数是水跃旋滚长度、跃前断面水深和弗劳德数以及水流运动黏滞系数的函数;水跃共轭水深比是跃前断面弗劳德数和壁面阻力系数的函数。提出了水跃区水流边界层发展、水跃旋滚长度和壁面阻力系数的计算公式,并将壁面阻力系数用于计算水跃的共轭水深。通过F.G.Carollo和W.C.Hughes的试验资料对公式进行验证,证明提出的公式形式合理、考虑参数全面、计算简单、具有足够的精度。     

珠江河口潮流底边界层的湍流特征量研究

通过高频流速仪ADV和声学Doppler剖面仪ADP对珠江河口虎门潮流底边界层进行了一个周日(25h)定点连续观测,利用观测数据计算分析了洪季潮优型河口潮流底边界层内的湍流特征量.结果表明,(1)底边界层内的湍流具有一定的各向异性,脉动分量概率分布为准正态分布;(2)对于半日潮流占优的河口,湍流脉动强度、底床切应力、摩阻流速以及湍动能耗散率等均具有明显的四分之一周日的变化规律;(3)边界层内床底切应力与摩阻流速的变化范围分别为1.8×10-2～3.5×10-1Nm-2和2.2×10-3～1.8×10-2ms-1,湍动能耗散率平均值约为1.9×10-5Wkg-1.