多股水平淹没射流水力特性的影响因素研究

采用数值模拟和模型试验相结合的方法,分析了水股分层、坎高、出口体型和跌坎形式等因素对多股水平淹没射流的流态稳定性和水力特性的影响。研究表明,多股多层水平淹没射流较单层多股水平淹没射流流态稳定性好、临底流速低、消能率高,是一种高效的新型消能方式。结合试验结果,提出中孔泄槽以等宽或微收缩为宜、表中孔最优坎高差应大于中孔水流的主流水深、跌坎形式的选择应结合具体工程特点等建议。     

浅水环境中垂向圆形纯射流的试验研究

对静止均匀浅水水域中的铅垂圆形单孔射流进行了试验研究,试验是在实验室的自制恒定水流循环系统中进行的。得到了水面的隆起高度与射流出口单位能量和相对水深的函数关系;验证了隆起高度分布具有自相似性,并给出其统一表达式;借助于三维测速仪,得到了射流流速的横断面分布、射流中线流速的衰减规律和流场的流函数等值线。     

深尾水消力池非完全宽尾墩消能试验研究

为解决下游深尾水工程中常规底流式消力池内由于消能紊动不足引起出池水流二次水跃、冲刷下游天然河床等一系列工程难题,结合物理模型和数值模拟对比研究平尾墩、常规宽尾墩以及非完全宽尾墩下游消力池内流场差异。研究结果表明:非完全宽尾墩利用平尾墩闸室与相邻宽尾墩闸室入池水流横向水位落差和纵向流速梯度,迫使雍高射流入池水流呈弧形横向扩散、碰撞,显著增强剪切紊动,促使消力池上游区域形成由底至表不断发展壮大的立轴旋滚,提升消力池内能量紊动耗散、降低出池水流流速,完全解决常规底流式消力池中易出现的二次水跃、消能不充分等问题。     

弯道水流对下游回水响应特征试验研究

弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。通过U形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。     

密松水电站泄洪消能体型优化试验研究

在1:60溢流坝表、中泄水孔断面模型上对密松水电站泄水建筑物的布置方案进行了泄流能力、流速流态、压力分布等相关水力学问题的试验,并通过十多个方案的比较优化,提出了基本可行的泄水建筑物体型和消力池型式。研究成果表明:表孔采用合适的宽尾墩形式,对增加消能率、缩短消力池池长有利,但无法消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象;表孔取消宽尾墩,采用跌坎式消力池方案,可有效降低底流消能时的池底板流速,同时消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象,达到较满意的消能效果。本文中十数个消能方案的研究成果,对类似工程的设计和科研均有参考价值。     

滩地植被化明渠中横向水平射流特性试验研究

运用Micro ADV测速系统,对3种工况下滩地植被化的复式断面横流环境中三维圆形水平射流的特性进行了试验研究.试验测得的射流典型横断面速度场及湍动能的成果表明,射流与来流的相互作用表现出明显的分叉现象,其分叉半角为5.71°;复式断面二次流具有加速射流分叉的作用,滩地植被具有减缓射流分叉的效应.对射流出口平面的速度场及湍动能的分析表明,射流轨迹曲线的弯曲程度、射流中心线的位置主要取决于射流与来流流速比.流动横断面流速和湍动能特性表明,射流在整个流场中是各向异性的.     

基于计算流体动力学的不同流量比两股射流水垫塘的消能特性研究

为研究不同流量比的两股射流入射水垫塘后的消能特性,选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNG k-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘进行了数值模拟,分析了流量比对水垫塘底板的冲击压力、临底速度、流态特征影响,并定量研究了流场内时均动能的衰减规律。研究表明,随着上游水股射流流量的减小,上游水股对底板的冲击压力在逐渐减小,由上游水股产生的动水垫作用逐渐减弱,使得下游水股对底板的冲击压力在逐渐增大;水垫塘流场呈现为具有动水垫效应的单股射流和动水垫效应微弱的单股射流两种形态。定量计算结果表明:对于上游水股射流,时均流速梯度较大,时均动能衰减较快,且随着上游水股射流流量减小,时均动能衰减速度加快,而下游水股射流的时均流能量比值和时均消能率总体小于上游水股射流消能率。     

90°支流入汇区域时均流速分布特征试验研究

通过多组次水槽试验,应用声速多普勒测速仪研究入汇角为90°时,不同汇流比水流条件下支流入汇区域及其附近的水面比降变化和时均流速分布特征。试验表明,入汇口上游的干支流水面坡降取决于干支流相互顶托影响,而入汇口处及其下游合流掺混区水面坡降随干流流量增大而增大,随汇流比增大而有所减小。不同位置垂线时均流速分布主要受主支汇流比和水流流态的双重影响,随着汇流比的增大,入汇口上游断面时均流速逐渐减小,而入汇口下游断面产生了明显的高、低流速带,形成回流分离区。     

粘性泥沙分层运动特征的试验研究

应用水槽试验研究了粘性泥沙的运动特性及水流条件和泥沙浓度对粘性泥沙运动的影响。实验结果表明,在一定的水流和泥沙浓度条件下,粘性泥沙运动存在着特殊运动形式——"分层运动","分层运动"形成时水槽中泥沙浓度沿垂线分布成"阶梯"形状,水流流速沿垂线分布为中部最大,向水面和水槽底部方向流速减小。分层运动的形成及其特征与水流条件泥沙浓度等因素密切相关,不同的泥沙浓度下形成分层运动的水动力条件不同,泥沙浓度增加,形成分层运动的水流强度也相应增加。     

流动环境中圆孔水平热射流三维数值模拟

根据计算流体动力学理论,采用Realizable k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,考虑浮力作用,利用有限体积法来离散求解流动环境中圆孔水平热射流的流动与传热控制方程,对流动环境中圆孔水平热射流进行了三维数值模拟,比较了不同流速比和不同射流出口温度条件下的流动特性和温度分布特性,得到了热射流轨迹的速度和温度衰减规律,分析了流速比和射流出口温度对热射流轨迹温度分布的影响。     

宽尾墩联合消能工体型选择及水力特性的研究

通过系统水力试验,给出了宽尾墩附加消能的消能机理与消能过程,以及附加阻力系数Δζ'及其计算式。对宽尾墩改善消力池内的水流结构,缩短水跃长度,减少尾水深度,提高消能率及改善跃后水流状态等进行了分析,并给出了相应计算式。通过对比试验,得出了宽尾墩体型选择参数。     

含闸墩溢流坝三维过坝水流数值模拟

利用有限体积方法对含闸墩溢流坝过坝水流三维流场进行数值模拟,采用κ-ε两方程模型模拟湍流,利用流体体积(VOF)法确定自由水面线,分别对两种墩型过坝水流进行计算,给出了3种水头下的水面线及坝面压力,通过与实验结果的比较表明,建立的模型能够准确地模拟带闸墩溢流坝三维流场,从而为溢流坝的水力设计提供可靠的设计依据。     

曲线坐标系二维带自由表面强紊动水流数值模拟

将追踪自由表面的流体体积(VOF)法应用于曲线坐标系下水流控制方程的求解中,计入流线弯曲对水流紊动特性的影响,建立了垂向二维强紊动水流的曲率修正的紊流模型,并对溢流坝反弧段的紊流特性进行了数值模拟。数值计算时,采用有限体积法离散水流的控制方程;物理变量,如:压力P、紊动参量κ、ε、γt等,采用交错方式排列(交错网格布置),用SIMPLEC算法求解离散方程。计算结果表明,得到的溢流坝反弧段的自由表面位置、速度场、压力场、剪应力分布和紊动能分布与实验结果吻合良好。     

高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数值模拟分析

高坝明流泄洪洞的掺气减蚀问题倍受关注。以溪洛渡水电站3#泄洪洞为研究对象,结合大比尺单体模型试验成果,应用分段计算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值模拟分析。结果表明:泄洪洞各道掺气坎布置合理且有稳定掺气空腔,掺气坎体型基本合理,明流段洞顶余幅足够。泄洪洞反弧段及末端一段区域水力特性复杂,应重点关注此部位的设计及施工问题。对于高流速、大梯度泄洪洞水力学问题,采用分段计算能提高计算速度。     

Numerical investigation of hydraulic characteristics and prediction of cavitation number in Shahid Madani Dam's Spillway

The prediction of the probability of cavitation occurrence to prevent serious damages in the spillways is the major concern for hydraulic engineers. In this research,the three-dimensional model of Shahid Madani Dam's spillway was simulated with the Flow 3 D software and by the comparison of numerical model results with the experimental data, the probability of occurrence of the cavitation phenomenon has been investigated. The flow parameters including pressure, velocity, and water depth were calculated for three different flow rates of 495 m~3/s, 705 m~3/s and 2 205 m~3/s respectively.The Renormalization Group(RNG) turbulence model was used to simulate current turbulence. Comparison of simulation results for pressure, velocity and water depth with the results of the experimental model with two statistical indices Root Mean Square Error(RMSE) and Coefficient of Determination(R~2) showed that the numerical simulation results are in good consistency with experimental model. However, simulation results indicated that at any flow rates with a return period of 1 000 years, probable maximum flood and designed flow rates, the cavitation number is not lower than the critical cavitation number. Therefore, it is predicted that the cavitation phenomenon in Shahid Madani Dam's spillway will not happen.     

Numerical investigation of hydraulic characteristics and prediction of cavitation number in Shahid Madani Dam's Spillway

The prediction of the probability of cavitation occurrence to prevent serious damages in the spillways is the major concern for hydraulic engineers. In this research, the three-dimensional model of Shahid Madani Dam’s spillway was simulated with the Flow 3D software and by the comparison of numerical model results with the experi-mental data, the probability of occurrence of the cavitation phenomenon has been investigated. The flow parameters including pressure, velocity, and water depth were calculated for three different flow rates of 495 m3/s, 705 m3/s and 2 205 m3/s respectively. The Renormalization Group (RNG) turbulence model was used to simulate current turbulence. Comparison of simulation results for pressure, velocity and water depth with the results of the experimental model with two statistical indices Root Mean Square Error (RMSE) and Coefficient of Determination (R2) showed that the numerical simulation results are in good consistency with experimental model. However, simulation results indicated that at any flow rates with a return period of 1 000 years, probable maximum flood and designed flow rates, the cavitation number is not lower than the critical cavitation number; Therefore, it is predicted that the cavitation phenomenon in Shahid Madani Dam’s spillway will not happen.     

用VOF方法模拟静止浅水环境中的垂向紊动射流

以k-ε紊流模型为基础,针对浅水环境垂向射流的水面会有明显突起情况,采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由面,建立了适合浅水环境垂向平面紊动射流的二维数学模型.对不同入射速度、水深、入射口宽度组合进行了大量的数值模拟实验,对整个流场的分布作了分析,发现自由面的分布特点和速度矢量场的分布特点相对应;中轴线附近的自由面隆起具有自相似性,文中给出了拟合表达式;由于水面的阻滞,中轴线上垂向速度的衰减较自由射流快,衰减规律随水深和射流宽度而异.     

一种钻孔水力采煤系统的研究

钻孔水力采煤是指从地表钻孔至煤层借助送至孔底的水射流切割破碎煤层,使之变成具有流动性的煤水混合物。通过水力或气举提升的方法提升到地表并在地表进行煤、水分离的一种采煤方法。文中提出了一种钻孔水力采煤系统的原理、构成及其施工工艺。通过理论分析和试验研究,对该钻孔水力采煤系统的射流泵水力提升、气举提升和水射流破碎的三个关键技术,进行讨论和分析,得出一些有用的结论:(1)为提高采矿效率和单井采煤量并降低能耗,必须将钻孔水力采煤系统的三个关键技术有机地结合起来进行设计。射流泵的设计应该满足煤颗粒最低悬浮速度、无量纲参数的最优化以及防止汽蚀的要求;(2)在射流泵喷嘴形式的选择中,可以根据吸入颗粒的大小来选择中心喷嘴或环形喷嘴射流泵;(3)气举的提升和背压作用可以提高射流泵的提升能力并降低能耗。气举提升单独作为一种开采扬矿工艺具有很大的局限性,但其与射流泵结合后就能很大程度地提高射流泵的提升能力;(4)气举提升与水射流破碎相结合能充分提高水射流的破碎半径和破煤能力。影响水射流效果的主要因素是射流的淹没状态、射流压力和流量,钻孔水力采煤破碎水枪的理想射流是非淹没自由射流,通过气举作用可以在开采峒室内创建非淹没自由射流。     

弯曲溢洪道挑流消能试验研究

为避免加剧弯曲溢洪道的不良振动，对弯道水流的挑流消能问题进行研究。通过试验研究的方法，提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型挑流消能工，结合渠底超高法对弯道水流的干扰，使水流在质量力的作用下分流，有效降低和减小了回水的流量范围，增加了挑流水舌的纵向长度。通过对比两种不同凹岸边墙半径的弯曲束窄差动式斜切挑坎和弯曲连续斜切挑坎的回流、挑流和分流等特性，根据水流运动特性和流线的几何关系，提出了一种判断该新型挑坎发生回水的半理论半经验方法。研究发现高坎的收缩程度和凹岸边墙半径是影响分流和回水的主要因素，通过对高坎水流运动特性的分析，拟合流量、凹岸边墙半径与高坎折冲水流出流方向角γ的经验公式，推导了高坎分流临界角度γ_c的计算表达式，计算结果与试验测量结果吻合良好，可以为弯道水流挑流消能的工程应用和运行提供参考。