旋流喇叭形竖井泄洪洞水力学机理及应用

改变传统的防漩消涡观念,研究出一种带有潜水起旋墩的新型喇叭形竖井泄洪洞,在各种水头下均能产生稳定的空腔旋转流运动,用以消除溢流堰和竖井的负压,避免发生空蚀,同时提高泄洪洞的消能率.潜水起旋墩同喇叭形堰外缘的切线成小角度连接,其旋流运动机理是,当水流漫溢堰顶时,开始产生旋转流,而当水深超过起旋墩顶时自动扩大人流角度和加大泄量,在底层旋流的拖曳下作同步强力旋转流运动.所提出的设计理论和试验研究成果已应用到广东清远抽水蓄能电站的竖井泄洪洞设计中.     

滴灌灌水器迷宫流道的内部流体数值模拟与流动分析

【目的】研究滴灌灌水器的结构参数对其水力性能的影响。【方法】提取齿形迷宫流道灌水器齿宽、齿底距、齿高为结构控制参数,在CAD几何建模的基础上,应用基于CFD(Computational Fluid Dynamics)的流体分析软件FLUENT,对灌水器迷宫流道内流体的流动进行数值模拟,得到流量压力关系以及流场可视化图,由此分析了各参数对灌水器性能的影响,以及流道内水流的速度矢量分布规律。【结果】当齿高保持恒定时,齿宽和齿底距均与流量、流态指数呈正相关关系,且齿宽对流量、流态指数的影响较齿底距更显著;而齿宽和齿底距保持不变时,齿高与流量、流态指数呈负相关关系。【结论】齿宽相对越小,灌水器消能效果与抗堵塞性能越好。因此,可以通过适当减小齿宽和齿底距、增大齿高等措施改善灌水器的水力性能。     

大海波水库溢洪道泄流能力试验研究

 溢洪道控制段是控制水流下泄的关键部位。因此,溢洪道控制堰的体型设计,要求尽量增大其流量系数,以提高溢洪道的泄流能力,保证枢纽工程安全。通过水工模型试验研究,对溢洪道控制堰体型作出修改,从而改善大海波水库的泄洪能力。     

双曲线型薄壁堰泄流规律的数值模拟

【目的】推求双曲线型薄壁堰堰流的基本方程式,确定双曲线型薄壁堰的流量系数,为实际工程中流量的控制和测量提供参考。【方法】根据双曲线构建了双曲线型薄壁堰,通过能量方程式推导其流量的计算公式;数值模拟了4种不同堰顶水头的过流能力,根据模拟的流量数据利用最小二乘法拟合流量与堰顶水头的关系式,与理论推求的堰流基本公式相结合确定双曲线型薄壁堰的流量系数,辅以RNGk-ε湍流模型数值求解气液两相流时均方程;使用半隐式SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equations)算法求解速度与压力耦合方程组,并用VOF(Volume of fluid)法模拟自由水面。【结果】理论公式计算的流量与数值模拟的流量相差甚微,相对误差在0.3%以内,证明本研究推求公式正确。【结论】双曲线型薄壁堰的流量与堰顶水头成正比关系,该关系为流量的控制和测量提供了便利。     

结构参数对梯形流道水力性能及抗堵塞性能的影响

【目的】研究梯形流道结构参数对灌水器流量、流态指数及抗堵塞性能的影响,为滴灌系统中灌水器的设计提供参考。【方法】通过测试平台对16种梯形流道物理模型的水力性能和抗堵塞性能进行测试,分析梯形流道结构参数转角、齿高、上底宽、流道宽、偏差量等对灌水器流量、流态指数及抗堵塞性能的影响。【结果】流道转角对灌水器流态指数、抗堵塞性能有显著影响,随着流道转角的增大,流态指数及抗堵塞能力显著下降;上底宽对流量、流态指数也有显著影响,随着上底宽的增大,流量增加,流态指数增大;齿高、流道宽及偏差量对流量、流态指数和抗堵塞性能无显著影响。【结论】在梯形流道设计时,应当综合考虑转角的选择,同时为了保持合理的流态指数,应当尽量减少上底宽。     

矩形断面明渠均匀流水力计算的直接计算公式

【目的】寻求矩形断面明渠均匀流水深和渠道底宽的直接计算公式。【方法】通过对矩形断面明渠均匀流水力计算公式进行恒等变形,推导出计算矩形明渠均匀流水深和渠道底宽的迭代公式,再与合理的迭代初值配合使用。【结果】得到矩形明渠均匀流水深和渠道底宽的直接计算公式,误差分析及实例计算表明,在工程常用范围内,矩形均匀流水深和渠道底宽的最大相对误差均小于0.2%。【结论】该公式形式简捷,计算精度高,能满足工程实践要求。     

大朝山水电站台阶溢流坝掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀的有关问题进行了分析研究。结果表明,利用堰面带小挑坎的宽尾墩过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题;同时也发现,由于缩尺效应问题的影响,现有减压试验方法和理论已不适应小比尺掺气水流的减蚀问题研究。     

北河桥闸工程水工断面模型试验研究

为解决北河桥闸工程下游消能问题,采用水工断面模型试验的方法对其消能工程进行优化。试验表明,原设计方案闸孔下泄水流在消力池内未形成淹没水跃,不满足设计提供的闸门调度运行要求。考虑工程安全并结合类似工程,模型推荐方案为:在原设计方案消力池内加设消能墩,水流在消力池中形成强迫水跃。     

基于双层复形法的重力坝断面优化研究

【目的】进行重力坝断面优化设计的算法研究,为减小重力坝断面面积,优化重力坝体型提供参考。【方法】以复形法为基础,简化了在所有约束条件下寻找可行点的收缩步骤以减少计算次数,然后构造了双层优化结构,即把第1层复形的优化结果作为第2层复形的初始点,再以复形法原理进行优化,最后以某拟建重力坝为实例进行了坝体横断面的优化分析。【结果】优化后的各断面特征参数均满足要求,其断面面积较原设计方案减小了15.97%,坝体体型更瘦,且坝体上、下游应力分布更加合理。【结论】双层复形法较复形法具有更高的稳定性、更快的收敛速度,可适用于大体积、结构复杂的水工结构优化设计。     

数值模拟方法在双洞式溢洪道体型优化中的应用

采用可行化k-ε湍流模型、VOF法界面跟踪技术及分区结构非结构网格区域离散方法,对甘肃九甸峡水电站双洞式溢洪道引水渠和溢流段的三维自由面流动进行了数值模拟,并以改善进口不良流态、消除堰顶较大负压,平衡两洞间的流量分配作为目标,对其体型进行了优化研究。结果表明,原设计方案过堰流动水面严重扭曲,且存在明显的负压,体型设计不合理;优化方案获得了理想的进水口与溢流堰曲线形式。所有计算结果与实测值吻合良好,说明数值模拟技术可以在岸边溢洪道的水力设计和体型优化中发挥重要作用。