水电站引水系统不同水力波动的耦合分析

以明渠、压力管道和调压室的非恒定流方程为基本方程,以恒定流计算结果为初始条件,结合渠首边界、渠管结合处边界、调压室边界和阀门边界处的连续方程和能量方程,利用特征线法建立了水锤波、调压室波、明渠波等3种水力波动的数值计算模型,并编制了相应的计算程序 。通过典型算例计算,分析了3种波的波动规律及其之间的耦合效应,计算结果符合一般规律,从而验证了所建模型及程序的正确性。     

不规则波辐射应力的精确解与近似解

波浪辐射应力是波生沿岸流乃至近岸流的主要驱动力。波浪辐射应力的计算将直接关系到沿岸流的大小及其水动力特性。不规则波相对规则波更能反应实际海洋中的波浪运动,因此不规则波作用下辐射应力的计算将更能体现实际沿岸流中的波浪驱动力。通过推导给出不规则波辐射应力计算的精确解与近似解,并对两种计算方法进行了分析比较,在此基础上进一步用波生沿岸流试验结果对近似计算方法中的波能计算进行了验证。结果表明窄谱情况下,不规则波辐射应力的近似计算方法已有较好的精度,可节省大量的计算时间,从而提高计算效率,但精确计算方法更能准确反应各时刻各位置辐射应力的波动状况。     

不规则波和方向谱在有定常流条件下折射－绕射问题的数值模拟

本文采用Ｋｉｒｂｙ所推导之含流缓坡波波动方程式为基础，并应用不规则波按时间序列处理之概念，引入Ｋｕｂｏ之不规则波解析理论，推导出描述不规则波与流相互作用之缓坡波动方程式。并用此方程式采用有限差分法对不规则波和三维方向谱与流相互作用问题进行了数值计算，得到了与物模实验数据较吻合的计算结果。     

不规则波和方向谱在有定常流条件下折射—绕射问题的…

本文采用Ｋｉｒｂｙ所推导之含流缓坡波波动方程为基础，并应用不规则波按时间序列处理之概念，引入Ｋｕｂｏ之不规则波解析理论，推导出描述不规则波与流相互作用之缓坡波动方式式，并用此方程式采用有限差分法对不规则波和三维方向谱与流相互作用问题进行了数值计算，得到了物模实验数据较吻合的计算结果。     

泡状流"失稳"时空隙率波及其非线性讨论

本文根据不同条件下的实验结果对线性空隙率波动理论进行了分析和讨论，指出由于多相流动的复杂性，线性波动理论在描述气液两相流空隙率波动及其不稳定性方面存在着的局限性。通过空隙率波的测量和非线性分析说明，泡状流“失稳”时是一个混沌动力系统。利用Grassberg的计算方法，计算了泡状流失稳前后空隙率波时域信号的关联维数D2和关联熵K2，泡状流失稳时关联维数D2=2．39，关联熵为0．207。采用了Wolf的方法得到了时间序列最大Lyapunov指数，泡状流失稳时得到的最大Lyapunov指数为0．395。     

大尺度圆柱周围的波流场的耦合计算

本文利用波浪弥散关系的迭代计算求得波向与流向的夹角，并用有限元法求解含流的缓坡方程，得到在缓变地形和定常流场共同影响下的大尺度圆柱周围的波流场的耦合解。     

波生沿岸流数值模拟研究及其实验验证

本文在高阶近似抛物化缓坡方程求解大面积波浪场基础上，利用辐射应力的概念建立了波生沿岸流模型。通过与不同斜坡地形条件下具有不同 波高、周期的规则波及不规则波生流的物理模型实验结果比较，验证了数学模型应用的广泛性和正确性。本文着重分析了数学模型中水平涡粘系数的确定，并得出了沿岸流的一些规律性结论。     

含隐患土石堤坝的三维波场数值模拟及其特征分析

含隐患土石堤坝的三维波场特征分析,是利用波动测试信号反演识别土石堤坝内部隐患的前提和基础。为了获得含不同类型隐患的波场特征和波动测试信号的畸变规律,本文采用有限元数值方法对含隐患土石堤坝的三维波场进行模拟分析,结果表明隐患体的位置与堤坝表面接收到的波场信息有密切相关性,隐患正上方测点的时程曲线相位与测线上其他测点的时程曲线相位具有明显差异,且散射波起跳时间较周围测点提前,据此可初步判断隐患体沿测线方向的位置。为验证这一波场特征,采用模型试验对无隐患土石堤坝和含渗漏通道的土石堤坝分别进行了波动测试试验,结果表明:坝顶同一测线接收到的波动信号,对于无隐患堤坝仅存在直达波;对于含隐患体堤坝,由于散射波与直达波的叠加,在含隐患测点上方的波动信号发生畸变,发生信号畸变的测点与实际设置隐患位置完全对应。由此可见,数值模拟结果与试验结果在反应隐患的位置和波动测试信号特征上具有相同的变化规律。     

基于高阶谱方法与CFD计算的耦合模型在不规则波模拟中的应用

基于高阶谱(HOS)方法的势流造波模型可进行波浪的高效率非线性演化模拟,但由于忽略了黏性影响,在研究波浪与物体相互作用中,对于波浪破碎和边界层流场细节模拟等方面很难实现,而黏性波浪水池则有计算量大的局限性。该文建立了基于高阶谱(HOS)方法与CFD计算的耦合模型,外域波浪场依靠势流模型计算,而内域波浪场演化则通过求解Navier-Stokes方程获得,通过松弛区将二者结合,可以避免求解大范围的黏性波浪场而带来的巨大计算量,并且能在波浪与物体相互作用中考虑黏性影响。在对多种波浪类型的模拟以及网格尺度影响讨论中,黏势流耦合模型的适用性得到验证。并在多向不规则波的聚焦波模拟,以及基于势流基础上的大范围长时间演化下得到的极端海浪在CFD域内重构中,黏势流耦合模型都有其成功应用。     

内孤立波与有航速潜体相互作用数值模拟

基于两层流体中内孤立波的KdV-mKdV理论解,采用速度入口和开管道方法进行内孤立波数值造波与消波,建立了同时具有造波、造流和消波功能的数值波流水槽。利用所建立的数值波流水槽,对内孤立波与有航速潜体相互作用问题进行了数值模拟,计算分析了受力特性。数值结果表明,内孤立波造波结果理想,消波效果显著,在内孤立波流场中有航速潜体将会受到突发性冲击载荷的作用。研究表明,利用所述方法来研究内孤立波与有航速潜体的相互作用是一条有效的途径。     

圆柱体绕流环隙流场轴向流速及水力损失试验研究

为进一步完善圆柱体绕流环隙流场理论,采用理论分析和模型试验相结合的方法,对不同流量及环隙比条件下圆柱体绕流环隙流场进行了研究,得出其轴向速度及水力损失随测点距离管道中心距离的变化关系曲线,并给出环隙水流轴向速度及水力损失分布曲线以及随流量及环隙比变化的相关拟合公式。试验结果与拟合公式基本一致,相关系数大部分在0.95以上,说明拟合公式是可行的。试验结果为圆柱体绕流环隙流场理论研究及实际应用提供了支撑。     

射流元件附壁与切换流动规律研究

射流元件是射流式井底增压器的换向控制部件，元件内部射流具有稳定附壁和快速换向的特性。文中运用计算流体力学方法，数值模拟了射流元件内部射流稳定附壁与切换的流动过程。通过背压和控制流对射流附壁与切换过程影响规律的分析，揭示了射流元件流场附壁与切换的过程和机理，发现了控制流上游来流位置对射流附壁影响很大，可以通过合理选择信号道引流位置来增强附壁稳定性。研究结果对射流元件结构优化有指导意义。     

THE ANALYSIS OF THE STEADY FLOW IN THE FLOW CHAMBER

A flow chamber whose length and width are far larger than its own height was widely used to study cell's mechanical behavior in vitro , especially the cell's adhesion property. The paper analyzed the flow field of the flow chamber in detail, and gave the analytical expressions of the velocity, pressure and shear stress when the fluid flowed in and out the chamber through a small crevice. Then, full and clear discussion of flow field was made. Also the velocity field was measured by an Ultrasonic Doppler Velocity-metre. It was found that the experimental values coincided with the theoretical values. These results were important to study the cell's mechanical behavior in vitro .     

二维非恒定空化流的数学模型

本文提出了一个新的数学模型,用于预测高Reynolds数的二维紊流场中非恒定空化流的形成与发展过程及其内部结构。将空化流看成是泡-液两相流动,采用宏观与微观两个尺度来描述其流动形态与内部结构。宏观尺度主要用于空化区及其外部紊流场的计算,微观尺度用于确定气核在紊流场中的运动及生长过程,宏观与微观两种分析相互结合,前者应用两相流模型及现有紊流场分析技巧,后者采用泡动力学理论,应用这一模型,可对二维紊流场中空化流的演变过程及其非恒定特性给出比较清楚的数值描述。     

丁坝群近体流动结构的可视化实验研究

本文介绍了用颜料示踪和最新的油膜技术对流动进行可视化记录以研究淹没丁坝群的近体流场分布的试验结果。结果表明绕丁坝的近场流动具有强三维非恒定特性，表现在坝后振荡回流区的形成和坝顶表面波的生成。在坝头的分离区，流动加速并伴有二次回流，形成该处冲刷的水力学条件。在深淹没条件下丁坝后面主回流区的形成主要受制于坝顶的绕流，以垂向方向的回流为主，同时也受到坝头侧面分离流的影响，产生水平方向的倾斜和扭转。颜料示踪捕捉到丁坝近体的瞬间三维流动形态，油膜照片则清晰地显示出了床底及侧壁的旋涡大小及位置。     

不可压缩旋转涡对的流噪声计算研究

相隔一定距离的两个同向旋涡相互诱导而形成绕中点旋转的涡对,进而诱发流噪声。该文基于不可压缩流场提供的非稳态流动信息,采用黏声分离法研究水流场中旋转涡对的声学特性。计算结果同理论值进行比较,并探讨了计算条件对计算稳定性和准确性的影响。计算结果表明:在选取合适的计算参数(人工阻尼、网格尺寸和时间步长)的情况下,黏声分离法方法适用于预测水流噪声。对不可压缩旋转涡对的声场特性进行分析,得到旋转涡对声压图案类似四极子,在远场接近圆柱波;随着旋转马赫数的增加,声压级增大。     

淹没紊动射流三维流场特性的数值模拟

采用RNGk-ε紊流模型对有限空间的单孔、双孔紊动射流的流场进行了三维数值模拟研究。研究结果表明:无论入流条件如何变化,经无量纲处理后的轴线流速分布曲线几乎都落在同一条无量纲速度分布曲线上,说明流动存在相似性。双孔射流时,流场存在分区结构,在不同的喷嘴间距下,射流的卷吸程度不同,S/D越大,射流之间的卷吸掺混作用越弱。     

三维粒子示踪测速技术的开发及初步应用

开发的单颗粒三维运动轨迹测量系统的硬件由四部摄像机、一台PC机和内置的图像卡组成。软件系统包括4路图像实时同步采集、图像二值化和聚合程序，坐标校正和转换，以及各统计参数的计算公式。系统标定的空间误差小于0.3mm，速度误差约为1.0mm/s。开发的颗粒三维运动测量系统在测量颗粒运动更长的轨迹、实现较高的采样频率和保证每个摄像机的高分辨率、只进行一次标定而进行各种水力坡度的试验及实现极大样本的采集等方面都取得了明显的进展，为研究颗粒运动的基本规律提供了新的方法。试验可以得出颗粒三维运动的瞬时速度，初步试验得出颗粒的纵向平均速度遵循对数分布，颗粒速度小于相应水流的运动速度。     

带自由表面后向台阶流的数值模拟研究

后向台阶流是工程领域中一类常见的流动现象,也是流体力学中复杂剪切流动的一个典型例子。针对自由表面对后向台阶流场的影响,在总结前人研究成果的基础上,本文利用VOF方法追踪自由表面,采用realizable k-ε紊流模型封闭控制方程,建立立面二维数值模型,对带自由表面后向台阶流进行了模拟研究。模拟得到4种特征雷诺数工况下,台阶后纵向流速、紊动能、耗散率、边界压力值和水面流速的沿程分布。模拟结果与原型实验观测结果吻合较好。根据模拟结果,对台阶后流场随特征雷诺数变化的规律以及自由水面对台阶后流场分布、漩涡结构和压力值的影响进行了分析讨论。     

宽顶堰水流数值模拟分析

本文利用紊流模型模拟了带有曲线自由表面的宽顶堰流的紊流流场,采用VOF法来确定自由表面,采用气液两相流计算模型对宽顶堰流场进行了数值模拟,计算结果与试验数据较为吻合.模拟结果表明,数值模拟是作为研究水利工程中带有自由表面的水流结构的一个强有力的工具,其结果对物理试验也是一个很好的补充.