天生桥水电站溢洪道三维数值模拟

以天生桥水电站为例,采用Flunet软件、有限体积法、κ-ε紊流模型及VOF方法相结合处理自由水面,并对溢洪道泄洪流场进行了三维数值模拟,给出了溢流堰泄流能力、水面线、底板压强分布、水流空化系数分布及典型断面流速分布.数值模拟结果与模型试验结果对比表明,该方法较精确、稳定可靠,为同类工程的优化设计提供了参考依据.     

侧槽式溢洪道水流的紊流数值模拟研究

针对侧槽式溢洪道侧槽段水流大尺度的横向旋涡、回卷表层水流与由溢流堰下泄水流相互作用后掺气、沿主流方向平均流速分布不规则的问题,采用RNGκ-ε紊流模型对侧槽式溢洪道水力特性进行了三维数值模拟,并与物理模型试验结果进行了对比,获得了水流流态、水面线、压强和流速等水力参数的分布特征。结果表明,计算值与实测值相吻合,该方法有效可行。     

毛家河水电站溢洪道三维数值模拟

为寻求毛家河水电站溢洪道较优的泄洪消能形式,以质量守恒及动量守恒为基础,建立了κ-ε湍流模型封闭雷诺方程组,采用VOF方法追踪自由液面,对溢洪道泄流能力、水面线、底板压力及槽身和下游河道的流速进行了三维数值计算,数值计算结果与模型试验结果吻合较好,并根据工程实际情况拟定了多种方案对溢洪道全域及下游河道进行了数值模拟。计算结果表明,设置中隔墙并使左、右泄槽挑流鼻坎错开布置方案,溢洪道槽身段水流流态较好,挑射水流与下游河道水流衔接平顺且对两岸岸坡冲刷较轻,总体效果较好。     

潘口水电站泄洪洞三维数值模拟

为研究采用数值模拟方法分析岸边泄洪洞水力特性的可行性,采用Fluent商业应用软件对潘口水电站岸边泄洪洞进行了三维数值模拟,得到了泄流能力、典型断面流速、沿程底板压力、水面线及洞顶富余等水力要素的分布特点。数值计算结果与模型试验结果比较表明,两者吻合较好,可见采用数值模拟方法研究潘口水电站泄洪洞的水流特性具有可行性,各种边界条件的设定较为合理,能够模拟出真实情况下的各项水力指标,研究结果对体型优化有一定指导作用。     

基于Flow-3D的高速水流无压溢洪洞内消能工数值模拟

针对目前高速水流消能形式存在的缺点,基于Flow-3D软件,采用RNGκ-ε模型、Tru-VOF法模拟了无压洞式溢洪道内消能墩附近的水流运动特性,结合洞塞式消能工的消能机理和水工模型试验,对比分析了内消能墩附近的水流流态、流速分布、压强分布、水面线和消能率等。结果表明,在控制断面束窄度的条件下,消能墩附近流态不会影响洞内安全,消能效果较好,消能墩对墩后水流影响距离较短,为在洞内设置多组消能墩提供了依据。研究成果可为类似工程提供参考。     

台阶式泄洪槽水工模型试验研究

为验证山西省某森林公园台阶式消能泄洪槽设计的合理性,通过模型试验研究了该消能泄洪槽不同流量工况下的流态、台阶平面压力、流速分布及消能效率。结果表明,在试验流量范围内,泄槽内为跌落水流和过渡水流,掺气不明显;台阶平面压力变化范围为-9.7~24.4kPa,当流量为6m^3/s时,出现最大负压9.702kPa;除#3消力池进口处外,三段台阶式消能段均为泄槽底部流速较小,对泄槽底部冲刷较小,泄槽水流表面流速最大;在不同流量下台阶式泄槽+消力池联合消能率均超过了90%,其中大部分能量消散在溢洪道台阶上。研究成果可为类似工程提供参考。     

三种紊流模型模拟溢流坝泄流精度的对比分析

为研究不同紊流模型对溢流坝泄洪数值模拟的适用性和准确度,采用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型及大涡模拟(LES)模型等3种经典紊流模型对某溢流坝泄流过程进行数值模拟;同时,将数值模拟出的溢流坝坝面的水流流态、流速及坝面压强等溢流坝泄流过程的重要水力指标结果与物理模型试验结果进行对比分析。结果表明,RNGκ-ε模型对溢流坝泄流的流态模拟效果最好,与物理模型试验结果最为一致;LES模型对坝面水流流速、坝面压强及空化数的模拟效果最好;采用标准κ-ε模型模拟出的各个指标精度最低。因此,针对溢流坝泄流过程数值模拟,应优先采用RNGκ-ε模型和LES模型。     

降低泄水闸胸墙底缘负压的数值模拟研究

鉴于胸墙底缘线型是带胸墙的泄水闸水力优化设计的重要内容,以珠江流域西江水系大藤峡水利枢纽工程为例,数值模拟采用标准κ-ε紊流模型,水气两相流耦合采用VOF法,网格划分采用胸墙底缘局部加密和其他区域渐变,上下游水力边界采用垂向分布的压力边界条件,模型求解采用非恒定流方法,计算步长采用自适应变步长法,从水流流态、时均流速分布、紊动动能分布、时均压力分布等方面进行泄水闸胸墙底缘线型优化设计。模拟结果表明,与采用椭圆和直线相切的两段线型相比,泄水闸胸墙底缘采用一段椭圆曲线线型泄流能力符合要求的同时,可降低胸墙底缘负压满足设计要求,保证了建筑物安全。     

侧槽式溢洪道进口水流条件优化数值模拟

为改善实际工程中侧槽式溢洪道的水流形态,以某实际水库工程为例,结合物理模型试验,通过数值模拟,比较了溢洪道进口侧边结构采用局部削坡、弧形垂直翼墙、变坡翼墙等方案,通过观察进口水流流态、流速、漩涡、紊动能及水面变化等水力学特征,发现采用弧形垂直翼墙的方案可减缓进口的不利流态,达到进口水流平稳的目的,可为类似工程提供参考。     

河口村水库导流洞水工模型试验及分析

为验证河口村水库导流洞布置方案的合理性和优化的可能性,根据重力相似准则,采用比尺1∶40的单体正态模型系统研究了导流洞泄流能力、水流流态及明满流界限、压力分布、进出口体型、消能防冲等,尝试采用不同进口形式来消除进口漩涡,并提出有利于消能防冲的出口形式。对比试验结果表明,在进水口前布置V型消涡梁可很好地消除进口漩涡,同时在导流洞出口布设钢筋笼防护,可有效抑制冲坑的进一步发展。     

峡谷型水库溢洪道迷宫堰过流能力数值模拟

针对溢洪道迷宫堰过流形态复杂的问题,采用FLUENT软件,运用VOF方法、RNGκ-ε双方程紊流模型,结合ICEM CFD软件划分网格,对山区峡谷型水库溢洪道单宫V型迷宫堰过流能力进行三维数值模拟,在分析正堰、侧堰和宫头过堰水流流态、流速矢量分布及压力变化的基础上,得到不同单宫角度V型迷宫堰的过流能力,并将数值计算结果与物理模型试验数据进行比较。结果表明,模拟值与试验值误差在允许范围内,能够满足工程要求。研究结果可为工程设计提供参考。     

超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞消能机理数值模拟研究

鉴于传统模型试验对竖井内旋转水流的流速测量难度较大,采用Realizableκ-ε双方程紊流模型,并结合VOF法,对某一超高水头大泄量竖井旋流泄洪洞进行数值模拟,对比分析了水流流态、空腔直径、井壁压强及旋流角等水力要素的模型试验和数值模拟结果,在此基础上,计算了不同断面的能量大小,获得了竖井旋流泄洪洞各部位的消能形式及消能率分布。结果表明,竖井起始部位主要消去旋转水流的切向动能,占总能量损失的6.19%;中间部位主要消去旋转水流的位能,占总能量损失的21.18%;下半部位利用环状水跃及水垫池消去旋转水流大部分的剩余能量,占总能量损失的58.69%。     

齿墩形内消能工脉动压力特性研究

针对高速水流脉动压强负值会增大泄流边界发生空蚀破坏的问题,提出一种新型齿墩状内消能工,采用物理模型试验分析了3种齿墩形内消能工的消能特性、脉动压力特性和空化特性。结果表明,采用齿墩设施可增进消能作用并达到消能效果。通过对3种不同面积收缩比的齿墩形内消能工脉动压强研究,得到了脉动压强的分布规律,收缩面积比为0.451时的齿墩形内消能工脉动强度较小,抗空化性能更强,其脉动压强最大点的压强概率密度分布接近正态分布。     

公明水库进库闸环形溢流消力池水力特性研究

底流消能型式在水利工程中被广泛应用,但随着现代工程技术的发展,现有的矩形消力池、梯形消力池已不能完全满足工程需要,根据重力相似准则设计几何比尺为1∶10的水工模型,采用模型试验与Flow-3D数值模拟相结合的研究方法,以公明水库进库闸消力池为例,对环形溢流消力池的流态、泄流能力、流速、压强与消能率等水力特性进行研究。研究表明,溢流竖井内水流呈漩涡上升,溢流跌水呈贴壁流,消力池内无法形成完全水跃;环形溢流竖井泄流能力较等宽度等堰高的宽顶堰略小;溢流跌水在约11.80m的落差内迅速增大至12.60m/s,但水流跌入消力池后流速迅速减小,出池流速在1.70m/s内;消力池底板脉动压强最大值不会超过水流自身水位落差;环形溢流消力池综合消能率可达80.38%。由此可见,环形溢流消力池虽然在流态、流速分布、压强分布上不同于常规消力池,但同样能达到较好的消能效果,可供类似工程参考。     

瓦村水电站溢洪道体型优化试验研究

针对瓦村水电站溢洪道出口水流挑距过大、水舌空间扩散效果不佳、入水区域集中、泄洪消能效果差及泄槽内水翅现象严重等问题,采用比尺为1∶60的正态物理模型对溢洪道体型进行优化试验研究。结果表明,在闸墩尾部加设尾墩,使泄槽段水流流态有了极大的改善,水流平顺,基本上消除了水翅现象;采用连续燕尾挑坎使溢洪道出口水舌合理归槽,空中扩散效果良好,解决了入水集中的问题,消能效果较好,所提挑坎布置形式可供相关工程参考。     

陡槽溢洪道上孔板消能特性的试验研究

运用孔板消能工能有效改善低水头、大流量陡槽溢洪道中的水流流态,显著降低陡槽溢洪道中的水流流速和提高消能率。在此采用物理模型试验的方法,结合龙屯水库陡槽溢洪道除险加固工程,通过分析水流流态、水流速度的分布及消能率,对设置在陡槽溢洪道上的孔板的消能特性进行了研究。结果表明,孔板改善了上游弯曲段形成的折冲水流的不良流态,使水流流速明显减小,孔板的消能率达到50%以上,消能效果显著。     

基于PIV技术的阶梯溢洪道流场和涡量测试

鉴于阶梯溢洪道流场和涡量场分析对其消能特性的研究非常重要,利用粒子图像测速技术(PIV)测试了阶梯溢洪道滑行水流的二维流速场和涡量场,并分析说明了模型装置、仪器测试区域和相应参数设置。通过处理粒子图像获得模型水面线,验证了模型的水流流态为滑行流;从~#3～~#5阶梯的流速等值线分布特征得到阶梯滑行主流沿水深方向的流速变化,台阶凹角内旋滚水流的流速和转动周期;从~#3～~#5阶梯的垂直涡量场等值线分布,得出阶梯溢洪道滑行流态旋转水流产生的原因和运动方式,验证了阶梯溢洪道水流紊动耗散的主要原因;并通过计算阶梯消能率,说明了试验模型的消能效果。对PIV技术用于其他消能工消能特性的研究提供了参考。     

基于光滑粒子流体动力学方法的表中孔泄流模拟

针对表中孔泄流问题,基于光滑粒子流体动力学方法,建立了表中孔泄流冲击水垫塘模型。采用人工粘度、密度近似、镜像虚粒子控制等技术,模拟了双孔同时泄流在空中交汇碰撞、冲击下游水垫塘后产生水舌漩涡、再入水过程,同时验证了溃坝模型验证方法的合理性。结果表明,开始泄流时中孔压强为13.60 kPa,中孔水流冲击下游水垫塘时最大速度为4.57 m/s,数值模型可准确模拟出表中孔泄流过程,说明基于光滑粒子流体动力学方法的数值模拟可准确处理流体大变形问题,可为表中孔泄流分析和坝身优化设计提供参考。     

叶巴滩水电站导流洞水压力分布研究

导流隧洞作为泄水建筑物，洞身、洞顶和底板的压力分布对于避免空蚀空化、振动等不良现象至关重要。以叶巴滩水电站导流隧洞为例，基于物理模型试验、RNG k-ω紊流模型、VOF法建立的三维数值模型模拟了导流隧洞压力分布，通过泄流能力、底板沿程压力等试验数据验证了数值模型的可靠性。结果表明，导流隧洞底板和顶部沿程压力分布均呈下降趋势，但在闸室段、堵头段等水力边界突变处，压力值发生了波动；在转弯段，水流受离心力影响显著，主流区位置和水流压力存在偏离轴线，靠近外边墙的趋势。     

基于OpenFOAM的旋转管道螺旋流水力特性数值研究

为进一步深入研究旋转管道产生的螺旋流对流场水力特性的影响,基于开源软件OpenFOAM,构建了水箱-管道出流气液两相流数值计算模型,模拟了竖直管、55°和45°螺旋管三种情况下的水流运动过程,通过分析、比较选定断面处速度分布、断面平均压强、湍动能随时间及空间位置的变化,总结了螺旋流对水平管段水力特性的影响。结果表明,相较于直管道,两组螺旋管道使水平管段螺旋流湍动能明显减小,压强变化趋于平缓不易产生负压,且管道内断面流速分布更加均匀。