基于混合模型的管道输沙特性数值模拟研究

【目的】探索管道水沙两相流的流场结构和输沙特性,为进一步研究管道输沙过程中阻力损失随含沙量、流速等的变化规律奠定基础。【方法】采用多相流混合模型和标准k-ε湍流模型,利用管道清水层流和湍流流场模拟,验证所选模型的可行性,并将模拟得到的管道流场以及阻力情况与实测值和计算值进行对比,确定模型参数,进一步结合小浪底水库现场管道抽沙试验,对管道流量(Q)为620和950m3/h工况下含沙量(Cv)分别为3.74%,10.53%,22.64%,37.74%和45.28%的5种含沙水流进行数值模拟计算,并分析其流场结构和流速、含沙量的垂向分布等水力特性。【结果】根据模拟值与实测值以及计算值的综合对比情况,选定粗糙度0.6mm、粗糙常数0.6、入口湍流强度25%为参数组合来模拟分析管道含沙水流的流动特性,得到了5种含沙量工况下管道输沙过程中的水沙两相流分布和管道横断面的流速分布,以及5种含沙量下横断面流速的垂向分布和含沙量的垂向分布规律,具体表现为:在管道流量Q=620和Q=950m3/h时,管道中心断面水沙呈上小下大的悬移质分布形态,随着水流含沙量的增加,管道底部沙量逐渐增大,当含沙量增加至45.28%时,管道中的水沙几乎为稠密的沙浆,在垂向分布上管道含沙量出现顶部小而底部大的现象。另外,管道的断面流速呈现出顶部流速大而底部流速小的现象,且随着含沙量的增大,高流速区扩大且逐渐向管道顶部上移,与大流量工况相比,小流量时高流速区集中且上移明显。垂向流速分布不再呈对称分布而出现管道顶部大、底部小的分布形态,且随着含沙量增大,不对称性更加明显。【结论】多相流混合模型可用于管道输沙流场的模拟计算,模拟结果表明,挟沙水流极大地改变了管道清水流场时呈轴对称分布的流速形态,表现为管道顶部低含沙区流速大,底部高含沙区流速小,且含沙量越高,不对称性越显著;随着流速增大,水流挟沙能力大大提高,流速分布的不对称性显著降低。     

复式交汇河道水流紊动特性分析

利用室内水槽模型,深入模拟了交汇的复式河道水流的流态.采用三维多普勒三向流速仪对复式交汇河流不同垂线的脉动流速进行了观测,并对下游某一断面的时均流速、紊动强度、雷诺应力等沿垂线的分布规律进行了分析.结果表明:在滩槽交界附近存在一个流速间断面,在这个区域水流所受阻力较大,过汇流口后,水槽内水流流态基本符合明渠流动特性.     

矩形水槽中半圆柱形边墩周围水流紊动强度的研究

以矩形水槽试验为基础,利用先进的声学多普勒测速仪(ADV)对该试验条件下半圆柱形边墩周围水流紊动特性进行系统的研究分析,并全面测量了边墩周围水流的三维紊动强度.根据试验数据,探讨了水流的紊动机理,同时对半圆柱形边墩周围水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行了比较.结果表明:垂向紊动强度沿水深变化较小,基本接近一常值;纵、横向紊动强度相对强于垂向紊动强度,说明边墩周围水流的紊动是各项异性的.     

含沙量变化对U型渠道垂线流速分布的影响

【目的】探索含沙量变化对U型渠道挟沙水流垂线流速分布的影响,进而从理论上完善挟沙水流流速分布规律。【方法】通过U型渠道水槽试验,测定水流中含沙量为1.12～500kg/m3时,最大流速所在位置的变化,同时引入卡门常数κ,来反映含沙量对垂线流速分布的影响。【结果】当水流含沙量s<300kg/m3时,随着含沙量的增加,最大流速点的位置逐渐下降,在主流区、底流区和表面区,挟沙水流均遵循对数流速分布规律,但κ的变化规律不同;当含沙量s≥300kg/m3时,水流的流型发生了变化,表面区、主流区水流不再遵循对数流速分布规律,底流区虽仍遵循对数流速分布规律,但κ的变化规律与s<300kg/m3时不同,κ的变化趋势总体随着含沙量的增大而减小。【结论】U型渠道挟沙水流遵循对数流速分布规律,κ的变化规律与普通明渠不同,应该分别对待。     

矩形断面明渠中半圆形边墩周围流速分布特性研究

为了研究边墩周围水流流速分布规律,利用声学多普勒流速仪(ADV),对矩形断面明渠中半圆形边墩周围三维流速进行测量,并对所得到的数据进行了分析研究.结果表明:在10°～120°内距离圆心1.23r的区域水流流速受到柱体挤压作用最为明显,存下游170°射线的区域内,水流流速呈非线性波动,整体波动幅度不大.     

丁坝对弯道水流影响的分析

采用三维声学多普勒流速仪对弯道内有、无丁坝两种工况下的水流特性进行了系统的试验研究,总结了弯道水流水面横比降、横向环流、流速重分布等特性,重点分析了丁坝对弯道水流流态的影响,进一步证实了丁坝的护岸机理,为相关的工程实践提供理论依据。     

基于非结构网格的三维水流数值模拟研究

【目的】以黄河沙坡头连续弯道段的水流运动为研究对象,研究非结构网格在天然河道数值模拟中的应用。【方法】建立三维紊流数学模型,采用有限体积法离散模型方程,利用SIMPLEC算法求解离散后的方程组。用非结构网格剖分研究区域,用等距分层法进行垂向分层,研究弯道水流表层、中层及底层平面流场和连续弯道典型断面处的纵向流速及环流分布,并对比分析横断面纵向流速的计算值与实测值。【结果】横断面纵向流速的计算值与实测值吻合较好。弯道水流底层到表层流速逐渐增大,在流速变化较大的地方出现了主流与深泓线分离的现象。弯道横向环流明显,表层流速指向凹岸,底层流速指向凸岸。【结论】非结构网格能较好地模拟天然河道中复杂的水流结构。     

弯道上游顺直河段水流流态的研究

采用三维声学多普勒流速仪对弯道上游顺直河段水流特性进行了系统的试验研究,全面分析了水流的三维时均流速及流场和纵向紊动强度.结果表明:该河段存在折冲水流,弯道与直道衔接处凸岸侧存在分离区,水流紊动强度的区域分布与流速区域分布相对应.该研究可为相关的理论研究和工程实践提供借鉴和理论依据.     

溶解性物质对粘性泥沙挟沙水流运动规律影响的试验研究

本文以Ca2+为溶解性物质的特征离子,采用玻璃水槽实验研究了在不同流量和含沙量条件下,Ca2+浓度对粘性泥沙挟沙水流中泥沙浓度和流速沿垂线分布规律的影响。结果表明:含沙量相对较低时,在流量和含沙量相同的条件下,不同Ca2+浓度下泥沙浓度垂线分布曲线之间、流速垂线分布曲线之间无明显差异;含沙量和流量相对较大时,不同Ca2+浓度下泥沙浓度垂线分布曲线之间、流速垂线分布曲线之间亦无明显差异;含沙量相对较大且流量相对较小时,泥沙浓度和流速的垂线分布呈现出分层现象,不同Ca2+浓度下泥沙浓度垂线分布曲线之间、流速垂线分布曲线之间发生分离,此时,随着Ca2+浓度的增加,近水面区泥沙浓度和流速减小,而近床面区泥沙浓度和流速增加,流速最大值的位置下移向床面靠近,泥沙浓度和流速垂线分布的分层趋势增强。     

基于Fluent仿真软件的滩地植被作用下复式河道水动力特性的精细化数值模拟

为研究浅滩植被对复式河道水动力特性的影响,了解植被作用下滩槽间水流动量交换的影响机制,利用Fluent流体力学仿真软件,选取标准的k-ε湍流模型封闭雷诺方程,对浅滩植被作用下的复式明渠内的流体运动特征进行精细化模拟,分析了不同淹没高度、不同流量条件下滩地植被对复式断面明渠的水流速度、湍流动能及断面二次流变化的影响。结果表明:受植被的影响,植物区计算主流速度的垂向分布不再呈对数分布,而呈现准S型的分布;相对无植被的工况,植物区内主流流速减小,随着滩地植被高度的增加,植物带的内部与上部区域主流速度减小,而主槽内主流流速相应增大,说明植物的存在对滩地区域的水流产生明显的阻碍作用,使断面主流向河道主槽内转移,植物的存在也对横向速度产生较强的扰动,能够促使断面二次流的形成;植物顶端附近的湍流动能变化较大,随着浅滩植被高度的增加,植被和水流交界处的湍流动能最大值也发生相应的变化,说明在植被顶端存在较大的动能交换;随着入流流量的增加,断面主流速度呈增大趋势,各测点湍流动能沿水深方向的幅值也相应增大。研究表明,Fluent流体力学仿真软件能够较好地精细化模拟滩地植被对复式河道水动力特性的影响,其计算结果可为河流防洪工程、河道浅滩整治及生态护岸等工程的实施提供科学依据。