交汇角对明渠交汇口污染物输运特性影响的数值模拟分析

针对等宽矩形断面明渠交汇口建立三维两相流水动力-污染物耦合数学模型,将污染物视作保守物质,不考虑其降解作用。该耦合模型以雷诺应力模型为基础,定量研究不同交汇角工况下交汇口的分离区几何特性及污染物输运规律。计算结果表明：交汇口分离区几何形状、污染物分布特性均存在明显的三维特征,且受交汇角影响;交汇角较大时分离区的几何对称性更强,不同交汇角下断面环流的位置不同,污染物的分布也不同,污染带最大宽度、混合界面宽度均随交汇角的增大而增大;分离区及其上游污染物混合速率随交汇角的增大而加快,在流速恢复区及其下游,混合速率基本不受交汇角影响,其沿程变化符合指数函数关系。     

明渠弯道交汇口水动力特性数值模拟

为研究不同宽深比和径宽比对明渠弯道交汇口水动力特性的影响规律,利用体积函数法(VOF)追踪自由表面,采用RNG k-ε模型封闭控制方程,建立明渠弯道交汇水流三维数值模型对3种宽深比和3种径宽比的5种组合工况进行了模拟,分析了交汇口附近的水面形态、流速分布、断面环流和分离区形态等特征。结果表明：随着宽深比的增大或径宽比的减小,交汇口附近水面跌落程度减弱;与径宽比相比,宽深比对弯道交汇口以及下游区域内流速分布的不均匀性影响较大,宽深比增大,纵向流速变幅增大,流速分布更加不均匀,水流偏转效应增强;宽深比或径宽比减小导致弯道处环流强度增大;宽深比或径宽比增大,弯道处回流结构增强,分离区尺寸增大,水平方向上形态更加狭长。     

等宽明渠交汇口流速分布特性数值模拟

明渠水流的交汇现象在涉水工程中十分常见,其中交汇口流速的分布特性复杂,对渠道的设计与维护有着直接的影响。针对明渠交汇流的流速分布特性,基于雷诺方程模型（RSM）与体积函数法（VOF）建立等宽明渠交汇流三维数值模型,结合物理试验数据进行模型验证,对不同交汇角与流量比组合工况进行模拟研究,对交汇口水流流速的分布特性进行分析。计算结果表明,交汇口流速存在分区特征,交汇口内流线弯曲流速偏转,下游会出现回流结构与断面环流现象。当交汇角增大时,水流的偏转幅度更大,回流结构与环流现象增强,分区特征更明显,渠道边壁受到的水体冲击更大;当流量比增大时,主渠水体受到的挤压效应减弱,流速分区特征受到抑制,水流交汇更平顺,边壁受到的冲刷更少。     

水流交汇区的水动力学特性数值模拟

为开展水流交汇区污染物浓度分布研究,进行水流交汇区水动力学特性的数值模拟,建立适用于水流交汇区的水气两相流数学模型。模型采用Weber试验数据进行验证,验证结果表明模型模拟的自由水面、流场与试验结果吻合较好。针对交汇区浓度分布试验的研究需要,模拟分析了不同交汇角、流量比和动量比对交汇区水动力学特性的影响。研究结果表明:分离区的范围随交汇角、流量比和动量比的减小而逐渐缩小直至分离区消失,交汇角、流量比和动量比越小,交汇口上游水位的壅高及分离区内水位的下降程度越不明显。     

带消力池的交汇泄洪洞水力特性数值模拟

为探究支洞设置消力池时主、支洞交汇区域水力特性,采用RNG k-ε紊流模型结合VOF方法对某工程交汇泄洪洞水流进行了三维数值模拟。结果表明,交汇区域主洞右边墙处水深先增加后减小,左边墙处先减小后增加,下泄较长距离后横向水位趋于一致;交汇口侧下游附近最大负压随交汇角增大而增大;交汇角减小时,分离区最低水位位置向主洞下游移动,交汇区底板最大压强也随之减小,在交汇角为30°时压强值最小为1580 Pa;各交汇角度时,主、支洞水流均未出现拍顶现象,洞顶余幅满足要求。与未设置消力池时对比,发现出坎水流水体流速减小,对主洞主流的冲击减弱;将部分结果与模型试验数据进行对比,吻合良好。     

弯曲型交汇河口三维数值模拟研究

弯曲型主渠交汇是天然河流的主要交汇形式，对河床演变和水运发展产生重要影响，为了研究弯曲型交汇河口的水力特性，首先通过实验值与模拟值进行对比进行模型验证，然后通过三维数值模拟研究了流量比为０．２５０、０．４１７、０．７５０时，支渠分别交汇于１２０°弯曲主渠弯顶凹岸和凸岸的交汇口附近的水流特性，从而为进一步研究弯曲型交汇河口的动床水流创造条件。通过研究表明:相同流量比的情况下，凸岸交汇时，分离区大，凹岸交汇时，分离区小；流量比越小，上游雍水越高，交汇口下游最低水位越低；相同流量比，凸岸交汇时上游雍水大于凹岸交汇，下游最低水位低于凹岸交汇，上下游水位差更大。     

明渠交汇口三维水力特性试验研究

支流汇入主流后，在交汇口下游附近形成复杂的流动现象，对于确定渠道有效过流断面、泥沙及含有物质输移及淤积、渠底及边壁冲刷等产生重要影响。本文目的在于采用试验手段探索干支渠交汇口的三维流动结构。在一个矩形断面且等宽、45°交汇的半封闭自循环水槽中，应用五孔毕托球对明渠交汇口三维流动特性进行了试验研究。试验结果表明，对于给定交汇口形状及尺寸，分离区形状基本保持不变，尺寸随主支渠流量比变化并具有较好的相关关系；在和主渠轴线正交的横断面上交汇水流存在横向分速，水面附近横向分速指向交汇口对侧固壁，临底附近横向分速指向交汇口一侧。对于流量比较大的汇流流动，断面环流是交汇口水流三维流动的一个重要特征。     

明渠交汇水流的螺旋度分析

基于物理模型试验的实测资料,通过引入螺旋度详细分析了"Y"型明渠交汇口的螺旋流分布情况,定量地反映出螺旋流强度沿水流方向的变化规律.在汇流比0.35、0.6、0.8共3种工况下,选取4个典型断面进行螺旋度的对比分析,结果表明:"Y"型明渠交汇水流自交汇口向下游同时存在顺时针和逆时针螺旋流,以顺时针螺旋流占据主导;沿水流方向,螺旋流强度减弱;随着汇流比的不同,螺旋度值和正负值中心呈现出不同的变化规律.     

90°明渠交汇口三维水力特性数值模拟

明渠干支流交汇口包含了许多重要的水流现象,在污水处理厂和过鱼建筑物等水利设施中经常遇到。本文采用kω紊流模型对90°明渠交汇口三维流场进行了模拟,运用双曲正切扩展函数法构造动态网格来跟踪自由水面,将模拟的结果与实验数据进行了对比,吻合良好,成功捕捉到了交汇口水面变化及二次流等主要水流特性。分析了交汇口分离区形状参数、支渠入流角及断面收缩系数与干支渠流量比之间的关系,并与前人的研究成果进行了比较。     

90°明渠交汇口三维水力特性数值模拟

明渠干支流交汇口包含了许多重要的水流现象,在污水处理厂和过鱼建筑物等水利设施中经常遇到。本文采用k-ω紊流模型对90°明渠交汇口三维流场进行了模拟,运用双曲正切扩展函数法构造动态网格来跟踪自由水面,将模拟的结果与实验数据进行了对比,吻合良好,成功捕捉到了交汇口水面变化及二次流等主要水流特性。分析了交汇口分离区形状参数、支渠入流角及断面收缩系数与干支渠流量比之间的关系,并与前人的研究成果进行了比较。     

Numerical analysis of flow separation zone in a confluent meander bend channel

The flow pattern in the confluent meander bend channel under the conditions of different discharge ratios and junction angles is numerically simulated by means of the large eddy simulation(LES), and the characteristics of the flow separation zone are analyzed. Numerical results are well validated by experimental data with a good agreement. Analysis of the vertical confinement shows that the turbulence within the separation zone can be characterized as quasi-2-D. Details of the separation zone characteristics are revealed as shown by mean velocity isolines. According to the analysis of numerical results, the length and the width of the separation zone generally increase with the increase of the discharge ratio and the junction angle. However, the width of the separation zone keeps substantially constant when the junction angle increases from 60 o to90o. The dimensionless shape of the separation zone is nearly the same for three discharge ratios and three junction angles. The formulas of the relative width and the relative length of the separation zone are obtained by means of the polynomial fit method.     

管道汇流口局部阻力试验研究

通过试验研究并结合水动力学原理，在分析汇流口独特水力特性及能量损失机理的基础上，提出了适用于任意角度汇流管路分析计算的局部能量损失系数的普遍表达式。分析了交汇角、流量比(支管流量／合流量)及面积比(支管面积／主管面积)等因素的影响规律，并对各影响因素进行了分析比较。研究结果表明，管道汇流口水流的局部能量损失，必须考虑汇入断面上支流沿下游主流方向的动量分量和主支流间相互掺混引起的附加摩擦阻力的影响。局部能量损失系数随交汇角、流量比增加而增加。当流量比较小时支流的局部水头损失系数出现负值，而当流量比较大时主流的局部水头损失系数出现负值。分离区内外压强差随交汇角增大而增大，随流量比的增大先增大后减小。     

EFFECT OF DISCHARGE RATIO ON FLOW CHARACTERISTICS IN 90° EQUAL-WIDTH OPEN-CHANNEL JUNCTION

For the 90° equal-width open-channel junction flow, the Reynolds averaged Navier-Stokes equations are solved while using the 3-D k − ω model. The mean flow pattern and the secondary current are obtained. The model is validated by experimental data, and then applied to investigate the effect of the discharge ratio on the shape of separation zone shape, the cross-sectional mean flow angle and the contraction coefficient. The results are fairly close to those of the prior studies. The numerical modeling is both less time-consuming and less expensive to obtain the various flow parameters needed for engineering design.     

矩形断面压力管道汇流口局部能量损失

采用水动力学基本理论,对矩形断面有压管道汇流口的水力特性进行分析研究,提出收缩系数及局部能量损失系数的综合表达式,并与试验结果进行了比较。研究结果表明:正确描述管道汇流口水流特性,必须考虑主管和支管的面积、流量的相对大小和交汇角的影响;局部能量损失随流量比增大而增大,随面积比增大而减小,随交汇角增大而增大。     

某超大基坑挡土墙与土体相互作用的数值分析

以某超大基坑为例,借助FLAC^3D有限差分软件建立考虑土体、地下连续墙、结构梁板等共同作用的三维模型,研究墙体产生侧向位移时基坑外主动土压力的变化趋势墙体发生鼓型侧移时,基坑外主动土压力呈“R”分布;并对影响围护挡墙结构侧移和主动土压力分布的几个参数(内摩擦角、墙土摩擦角、挡土墙入土深度,以及基坑长宽比等)进行敏感性分析,并归纳出变化规律:土体内摩擦角和黏聚力对挡土墙侧移影响较大,随着内摩擦角和黏聚力的增大,挡土墙上的主动土压力和墙体侧移逐渐减小;挡土墙入土深度对挡墙的主动土压力影响不明显,而对挡墙侧移有一定影响。随着挡墙插入深度增大,上部墙体侧移逐渐增大;而下部墙体却相反,当插入比在1.2左右时,墙体侧移最小。在开挖面以上,随着基坑长宽比增大,挡墙上主动土压力逐渐减小;而在基坑开挖面以下,特别在靠近挡土墙底部范围内,随着基坑长宽比增大,挡墙上的主动土压力强度逐渐增大。     

Large eddy simulation of turbulent flow structure and characteristics in an annular jet pump

The large eddy simulation(LES) of the flow characteristics in an annular jet pump(AJP) is conducted, and the flow characteristics are systematically analyzed from both time-averaged and instantaneous aspects. The jet expansion, the velocity distribution and the energy are considered to analyze the time-averaged evolution of the flow field in the AJP. The transient flow characteristics can also be acquired from the analysis of the turbulence intensity and the Reynolds stress. The simulation demonstrates that in the time-averaged characteristics, the potential cores increase linearly with the increase of the flow ratio. With the flow development, the jet half-width gradually increases and the residual energy coefficient decreases. Compared with the distribution of the time-averaged axial velocity, that of the instantaneous velocity is more complex and disorderly. The high intensity of the axial turbulence mainly occurs in the mixing layer and the near-wall regions of the diffuser. The annular distribution of the Reynolds stress is mainly in the mixing layer and the recirculation region. There is a low-stress zone between the mixing layer and the high-stress region in the wall-boundary layer. The intensity of the spanwise vortexes is larger than that of the streamwise vortexes, and therefore, the former make greater contribution to the total vorticity. This research provides a better understanding of the flow characteristics in the AJP.     

透空潜坝附近水流特性的数值模拟

透空式潜坝是一种兼顾生态和环境的新型整治建筑物。为深入了解透空潜坝附近水流特性,基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽,对梯形透空式潜坝附近水流特性进行数值模拟,研究了透空率、水深和流速对潜坝附近流场、紊动能和涡量等水流特性的影响规律。结果表明:相同水流条件下,随着透空率的增大,坝后回流流速减小,坝后根部紊动强度逐渐增大,而坝后1~4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小,涡量先增大后减小。透空率不变情况下,在相同断面平均流速条件下随着水深增大,透水率逐渐减小,潜坝附近紊动强度整体减小,但紊动范围变化不大,坝顶强涡量区面积减小。在相同水深条件下随着断面平均流速增大,涡旋回流强度逐渐增大,潜坝附近高紊动区紊动强度整体也增大, 坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布,强度逐渐增大。     

入汇角为30°时交汇区水流结构试验研究

 通过水槽试验，应用声速多普勒测速仪（ADV），研究了入汇角为30°时，支流斜接主流交汇区及其附近的三维水流结构，获得了不同主支汇流比下的三维流场及其脉动特性。试验表明：在交汇区三维流场中，产生了回流分离区，其中并伴随环流结构，大大改变了单一明渠中的流速分布及脉动特性。在入汇口下游主流右侧（入汇口一侧）水流脉动强度在z/h＝0.2处易出现极大值，其形成机理还有待验证。