应用斜坎改善弯道流态的可行性研究

【目的】基于模型试验对使用斜坎改善泄洪洞弯道流态的可行性进行研究,为同类工程提供参考。【方法】在泄洪洞弯道段沿程分别布置5道3种形式的斜坎(高0.35m矩形斜坎、高0.25m矩形斜坎及高0.25m梯形斜坎),对3种工程措施下弯道的水流流态、水面超高、流速和压强分布进行量测,通过流态优劣和流速、压强分布的合理性对比,对其改善流态的可行性进行研究。【结果】3种形式的斜坎均能有效消除弯道水面超高,改善流态,但矩形斜坎的改善效果优于梯形斜坎。布置0.35m矩形斜坎可使弯道最大水面超高减小至2.70m,但局部出现水面击打洞顶现象;布置0.25m矩形斜坎和0.25m梯形斜坎后,弯道水面超高分别减小至3.42和4.21m,且无击打洞顶现象,但压强量测均出现极大负压。【结论】对于已建工程,斜坎对消减弯道水面超高、改善水流流态非常适用,且矩形斜坎优于梯形斜坎;但在高速水流工况下,斜坎坎顶、坎后及坎后侧壁会出现负压,为避免出现负压,建议将斜坎应用于低速水流弯道。     

迷宫灌水器中泥沙淤积特性研究

【目的】研究泥沙颗粒引起的灌水器堵塞问题,为高抗堵性灌水器的研制提供参考依据。【方法】在灌水器90°和45°2种放置方式下,测试并分析了不同含沙量(0.5,1.0,1.5和2.0 kg/m3)、不同灌水器进口压力(0.09,0.06和0.03 MPa)下,浑水中的泥沙在迷宫灌水器中的淤积现象、淤积部位、淤积过程、淤积量及浑水流量的变化。【结果】①试验中泥沙在灌水器中间段与进、出口段发生淤积的概率分别约为18%和37%~45%。②两种灌水器放置方式对泥沙在其中淤积的部位与过程没有明显影响。③迷宫灌水器中泥沙的淤积与普通管道中泥沙的沉积现象有很大差异,其特殊的边界可能使其中水流在较小流速时仍具有一定的紊动能,从而不出现泥沙在流道纵断面方向的沿程沉积现象。【结论】①泥沙在迷宫灌水器中的淤积表现为起始淤积单元的随机性与淤积部位的规律性。②泥沙在迷宫流道中的淤积是一个既突然又逐步发展的过程,且总是充满流道的整个横断面。③泥沙淤积发生以后,通过灌水器的浑水流量会很快大幅度下降,并且随着淤积向上游的持续发展,流量逐渐减小。④浑水含沙量的提高会加快泥沙在灌水器中的淤积过程。     

东雷抽黄引水灌区退水对干渠减淤的影响

【目的】分析东雷抽黄引水灌区渠系泥沙淤积问题,探讨通过加大干渠输水流量以减少渠道淤积的可行性。【方法】利用东雷抽黄灌区总干渠的泥沙淤积实测资料,对水沙输移数学模型进行验证,再依据典型年份不同灌季不同时段引水含沙量高低情况,拟定了加大渠道输水流量的多种方案,对不同方案情况下渠道的冲淤过程及减淤量等进行数值模拟计算。【结果】减淤量和抽水费用等的计算结果表明,减淤效果最佳的方案是春灌期间含沙量较低时段加大渠道输水流量,该方案的减淤率为59.63%,减淤耗水费用为9元/m~3,较人工清淤费用(50元/m~3)节省成本82%。【结论】在春灌或夏灌含沙量较低时段,利用退水渠加大干渠输水流量减少渠道淤积在技术上是可行的,经济上也是合理的。     

浑水管道输水灌溉系统防淤堵技术研究

【目的】对浑水管道输水灌溉系统的水沙运动规律进行研究,并探讨其防淤堵技术措施,为管道输水灌溉技术在渠灌区的推广应用提供技术支撑。【方法】以泥沙运动力学和管道水力学为理论基础,通过管道输水试验系统,采用室内试验观测分析浑水管道的临界不淤流速,并结合已建管灌工程实践,探讨浑水渠灌区管道淤堵的成因及其防淤堵技术。【结果】测得了不同含沙量下的临界不淤流速,并依此建立了浑水管道临界不淤流速的经验计算公式。浑水管道较管道输送的临界不淤积流速小。渠灌区管道输水系统的淤堵成因包括水源、规划设计和运行管理等3方面的因素。浑水管道输水灌溉系统的防淤堵技术应从工程规划设计和运行管理2方面着手解决。【结论】提出了浑水管道输水灌溉系统的防淤堵技术措施;建立了浑水管道临界不淤流速的经验计算公式,该公式计算结果可靠,可作为含沙量小于100g/kg渠灌区管道输水灌溉工程设计的依据。     

泥沙级配对迷宫流道滴头堵塞及毛管内泥沙沉积的影响

【目的】设计对不同泥沙级配的浑水进行滴灌试验,为泥沙机械组成对滴头堵塞的影响过程研究提供理论参考。【方法】采用短周期法,设计了粒径小于0.1mm的3种不同级配泥沙(编号分别为A、B、C,其0.03mm,≥0.03~≤0.05mm,0.05~≤0.1mm粒径泥沙所占比例分别为58.38%,27.17%,14.45%;48.50%,13.20%,38.30%;20.13%,23.55%,56.32%)及3种不同含沙量(0.5,1.0,1.5g/L)组合的滴头抗堵塞试验,分析了毛管中沉积泥沙的位置与粒径组成及滴头流量与含沙量的变化。【结果】当含沙量不大于1.0g/L时,泥沙级配C最易造成滴头堵塞,而级配B次之,级配A最不易造成滴头堵塞;当含沙量大于1.0g/L时,泥沙级配对堵塞的影响有所降低。当毛管上的滴头发生严重堵塞时,毛管内的淤积泥沙主要分布在毛管中段0.6~1.0m处,未发生堵塞或者发生非常轻微堵塞的毛管泥沙淤积主要分布在毛管尾端。粒径0.05~≤0.1mm的泥沙最易沉积在毛管内,而小于0.03mm的泥沙颗粒最易随水流排出滴头。【结论】泥沙级配是影响滴头堵塞的主要因素,当大于0.05mm的泥沙颗粒含量较高时,非常易造成滴头堵塞,泥沙级配对其在毛管中的淤积位置影响较小,但对泥沙淤积量有一定的影响。     

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。     

宽窄相间复式河道水面线分析

水面线是水力学研究的重要组成部分,其在水利工程、水文预报及水库管理中占有重要地位。棱柱体明渠水面线的研究目前已较成熟,而对于非棱柱体明渠复式河道的水面线相关研究较少。首先从棱柱体明渠水面线分析角度入手,通过对棱柱体明渠水面线计算公式的分析,提出变宽度明渠水面线研究要点,进而从水沙作用的角度出发,定性分析由于河道冲刷或淤积而发生的水面线变化,最终得出变宽度复式河道水面线在动床工况下的水面线计算公式。     

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。     

弯道导流墙对氧化沟水力特性影响的数值模拟

【目的】对两沟道氧化沟内水下推动器、曝气转盘同时运行时,增设弯道导流墙后沟内的流场及流速分布进行研究,以期提高沟内水流混合能力并降低能耗。【方法】在试验模型右侧增设弯道导流墙,并采用数值计算的方法求解气-液两相流时均方程,紊流模型采用RNG模型,自由水面捕捉采用VOF(Volume of fluid)法,速度与压力耦合方程组求解时使用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,对氧化沟内的流场及流速分布进行模拟研究。【结果】数值模拟表明,在水下推动器、曝气转盘同时运行时增设弯道导流墙后,氧化沟内的流场及流速分布更加均匀,整个氧化沟内流速大于0.3m/s的流体体积百分比由不增设弯道导流墙时的40.8%提高至47.6%,显著提高了氧化沟内的流速。【结论】水下推动器、曝气转盘同时运行时,增设弯道导流墙能够明显改善氧化沟内流场及流速的分布,可以提高沟内整体流速,防止或减少沟内污泥沉积。     

梯形明渠临界水深直接计算公式研究

【目的】寻求梯形明渠临界水深的直接计算公式。【方法】针对梯形明渠临界水深传统计算方法计算过程复杂、误差大、适用范围小的缺点,以迭代法为基础,引入无量纲参数单位水面宽度,利用数值计算方法对梯形明渠临界水深的基本计算公式进行恒等变形,得到快速收敛的迭代公式,并对合适的迭代初值进行选取。【结果】提出了新的梯形明渠临界水深的直接计算公式,对其进行的误差分析结果表明,该公式计算临界水深的最大相对误差仅为0.010%。【结论】与现有公式相比,新建立的梯形明渠临界水深直接计算公式计算精度高、适用范围广,可供工程实际参考应用。     

消力池内水流噪声数值模拟分析

为解决水噪声试验中因改变边界条件耗时费力的问题,采用了基于VOF和k-ε黏度模型的CFD分析方法,通过改变上游来流量、消力池长度及尾坎高度,对宽顶堰消力池内的各水力要素及水噪声场进行了数值模拟,并且与物理模型试验所得结果进行比较。结果表明:模拟水面线变化趋势与实测水面线误差在30%之内;模拟流速与实测流速误差在30%之内;模拟水噪声在4500~8000Hz之间与实测结果声压级误差在6.5db之间,数值模拟结果与物理模型试验结果较为吻合,说明采用该数学模型模拟低水头情况下宽顶堰消力池内水流的流态与水噪声是可行的。得到了各水力要素及水噪声随流量、消力池长度及尾坎高度变化的规律。相同尾坎高度和消力池长度情况下,上游来流量为12.5,10.3,6.9L·s~(-1)都有水跃产生,同时距上游越近,水面位置处的流速越大;相同上游来流量和消力池长度情况下,尾坎高度对水跃影响明显,同时越靠近宽顶堰位置,水面处的流速越大;相同上游来流量和尾坎高度情况下,消力池长度对水跃影响也比较明显。同时发现水流噪声最大声压值都出现在消力池尾坎附近。     

梯形明渠临界水深的模式搜索算法求解

【目的】基于模式搜索算法求解梯形明渠的临界水深。【方法】针对梯形明渠临界水深计算无显函数形式的表达式,及传统计算中的试算法或查图法计算过程繁琐复杂且计算精度不高的现状,引入一个无量纲参数——单位水面宽度,对梯形明渠临界流水深的基本方程进行恒等变形,得到了求解单位水面宽度的超越函数,并证明该方程为单调函数。【结果】将求解临界流水深的问题等价于一非线性优化问题,并用确定性优化方法——模式搜索算法进行求解。【结论】实例计算及误差分析表明,该算法具有收敛速度快和求解精度高的特点,为梯形断面的水力计算提供了一种新思路。     

弯道取水口表层水流速度场数值模拟

弯道取水口附近水域水流结构十分复杂,为研究其水力学特性,依据物理模型试验,分析弯道及取水口附近表层速度场分布,采用标准模型对其进行二维数值模拟。综合分析可知,取水口处流速变化剧烈,应特别注意工程维护;取水口下游流速明显降低,应采取适当措施防止泥沙淤积。     

梯形明渠正常水深的直接计算方法

【目的】寻求梯形明渠正常水深的直接计算方法。【方法】针对梯形明渠正常水深计算时需求解高次隐函数方程,以及传统的查图表法或试算法计算复杂、误差大、适用范围小的缺点,通过引入无量纲水面宽度,根据数值计算方法,对梯形明渠均匀流的基本方程进行了恒等变形,得到了快速收敛的迭代公式,并与合理的迭代初值进行配合使用。【结果】提出了梯形明渠正常水深的直接计算公式。误差分析及实例计算表明,在工程最常用范围内,即无量纲水深x∈[0.1,2.0],梯形断面边坡系数m∈[0.5,4.0]时,正常水深的最大相对误差仅为0.78%。【结论】与现有公式相比,该直接计算公式物理概念明确、计算简捷、精度高、适用范围广。     

明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算机算法

人工渠道中的水流绝大多数是非均匀流,分析计算其水面曲线的变化规律是确定明渠边墙高度及回水淹没范围的重要依据,因此在工程实践中具有十分重要的意义。传统方法推求水面线一般采用试算法或图解法,其法计算速度慢、精度低。本文通过开发软件,实现人机对话,利用C语言编制计算机程序,结合内插法,可快速准确的推求出水面曲线。     

半立方抛物线形明渠共轭水深的迭代算法

【目的】寻求半立方抛物线形明渠共轭水深的迭代计算方法。【方法】根据半立方抛物线形明渠断面的几何形态及棱柱体水平明渠水跃方程,推求得到半立方抛物线形明渠共轭水深的迭代计算公式,并从理论上证明其收敛性;通过对工程中不同流量Q与不同断面形状参数p多种组合情况下的共轭水深进行计算和趋势线拟合,建立计算共轭水深迭代初值的直接计算式。【结果】推导出半立方抛物线形渠道断面的水跃方程,并进而得到跃前水深、跃后水深的迭代计算公式,运用迭代初值直接计算式求出迭代初值,将该值代入共轭水深迭代计算公式,经过几步迭代便可收敛得到精度很高的共轭水深值。【结论】推求的半立方抛物线形明渠共轭水深迭代计算公式物理概念明确、计算简捷、精度高、适用范围广,可以满足工程实践要求。     

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。     

阿克塞沟引水工程改建设计

阿克塞沟至红柳湾引水工程位于阿克塞县境内,经过多年运行,该引水工程出现了引水困难、防洪、渗漏等许多问题,引水难以保证。改建设计中根据该工程水文和地质条件并结合多年运行中出现的问题,着重对工程原引水渠首及输水明渠运行中出现的问题做了相应的改建设计,渠首改为沉砂槽式,明渠输水改用埋地管道重力输水,输水管管材选用钢筋混凝土排水管(RCP)。     

阿克塞沟引水工程改建设计

阿克塞沟至红柳湾引水工程位于阿克塞县境内,经过多年运行,该引水工程出现了引水困难、防洪、渗漏等许多问题,引水难以保证。改建设计中根据该工程水文和地质条件并结合多年运行中出现的问题,着重对工程原引水渠首及输水明渠运行中出现的问题做了相应的改建设计,渠首改为沉砂槽式,明渠输水改用埋地管道重力输水,输水管管材选用钢筋混凝土排水管（RCP）。     

氧化沟推流转轮半径对水流回流区长度影响的数值模拟

【目的】研究氧化沟推流转轮半径对氧化沟内流场回流长度的影响,为氧化沟工艺设计提供理论依据。【方法】采用气液两相流混合模型,并选取Realizable k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对氧化沟水力特性进行三维数值模拟,使用压力隐式算子分裂(Pressure-Implicit with Splitting of Operators,PISO)算法对速度与压力耦合进行求解,并采用VOF(Volume of Fluid)法对自由水面进行模拟。【结果】数值模拟得到了氧化沟推流转轮半径与水流回流区长度的关系表达式,表明回流区长度和直道段长度之比与叶轮半径和小弯道半径之比呈直线关系,并通过量纲分析法对其进行了进一步验证。【结论】氧化沟水下推流转轮是水流运动的最主要动力来源,转轮半径的大小对沟道内水流的流速以及流场结构有重要影响。