弱混合条件下支流入汇口水力特性数值模拟

库区河道中支流来流较小时，水体和污染物受到干流的阻碍作用滞留在支流入汇口，严重时易在支流暴发水华。采用数值模拟结合水槽实验的方法，研究了弱混合条件下支流入汇口的水力特性。采用RNG k-ε紊流模型封闭水流控制方程，建立了明渠交汇水流三维数值仿真模型，模拟所得垂向流速分布及流场矢量图等结果与水槽试验数据吻合程度较高。基于4种汇流比和3种交汇角工况的数值模拟结果，提出了弱混合条件下支流入汇口水流结构分区，分析了不同交汇条件对入汇口关键水力特性的影响。研究发现：弱混合条件下支流入汇口右岸产生回流形成回水区，左岸水体受到挤压形成加速区，回流流速峰值出现在近右岸壁面处；不同交汇角条件下回水区长度大小为：150°>30°>90°，回水区长度随着汇流比增加而逐渐减小直至回水区消失；回水区最大宽度处距交汇区距离与汇流比成反比；入汇口紊动能峰值区域面积和峰值大小与汇流比成反比，与交汇角成正比，交汇角对紊动能的影响较汇流比更大。     

反弧段体型对高流速泄洪洞水力特性的影响

利用流体仿真软件FLUENT对高水头明流泄洪洞不同体型反弧段的水流流场进行三维数值模拟,获取了流速、压强、切应力等水流运动参数的沿程分布。结果表明:不同形式的反弧段,沿程水头损失差别很小;反弧段的曲率半径越小,底板压强越大,同时在反弧段始、末断面附近的压强梯度也大;各种类型的反弧段底板剪应力基本呈沿程增大的趋势,但前半部和后半部底板切应力的变化规律不同。综合考虑反弧段流速、底板压强、底板切应力的沿程分布情况,采用下过渡曲线形式的反弧段体型可以减小反弧段与下斜坡段连接部位的压强梯度和切应力,相对于文中提到的其他体型的反弧段,空蚀风险最小。     

结构面倾角对岩块力学特性影响的离散元模拟

结构面的存在对岩块力学性质具有弱化作用,为揭示硬岩岩样单结构面倾角α大小对其力学性质影响的变化规律,同时检验Jaeger单结构面理论模型的可靠性,基于PFC2D建立了完整岩样及α分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的双轴模型进行试验。研究表明:1α介于45°~75°时,试样沿结构面滑动,其余均为贯穿结构面的剪切破坏,围压增大使α=75°试样的破坏模式向贯穿结构面剪切发展;2α=60°时,位移场与完整岩样存在明显差别,其破坏模式不受围压影响;3试样微裂纹主要由切向黏结破坏引起,当强度超过峰值后法向黏结破坏逐渐增加,相同围压下贯穿结构面破坏引起的微裂纹数比沿结构面滑动的多;4结构面倾角和围压对试样峰值强度、轴向等效弹性模量和峰值前应变具有明显影响,理论的结构面倾角阈值并不明显存在。     

垄上灭茬刀优化设计与试验

针对灭茬刀耕作阻力大、磨损严重等问题,优化设计了灭茬刀及刀辊。通过理论分析,得到影响灭茬刀耕作阻力和损伤情况的因素为灭茬刀正切刃滑切角、侧切刃滑切角和弯折角,并确定灭茬刀作业状态稳定时正切刃滑切角的取值范围为0°～16°,侧切刃滑切角的取值范围为47°～68°,弯折角的取值范围为90°～130°。在有限元软件ABAQUS中对土壤建立Drucker-Prager本构模型,并进行了灭茬刀切割土壤的运动学仿真试验,设计为三因素三水平正交试验。结果表明:影响灭茬刀作业过程中应力和应变变化的主次因素为侧切刃滑切角、弯折角、正切刃滑切角,当正切刃滑切角16°、侧切刃滑切角68°、弯折角110°时,灭茬刀的应力和应变较优,且方差分析得到各因素对应力和应变的影响均显著。田间试验结果表明:优化设计的灭茬刀较行业标准灭茬率提高9.57%,碎土率提高6.6%,灭茬深度稳定性系数提高4.2%,灭茬刀作业效果优良。     

清水作用下全动床复式河槽河床演变特性

通过水槽试验,探讨了清水作用下由非均匀沙构筑而成的全动床复式河槽的演变特性,包括河床完全粗化后河道稳定宽度及滩岸侵蚀的沿程变化.复式河槽断面构筑而成后,实施倒灌,然后恢复地形,最后用全站仪施测初始河道地形,在试验结束后,相应断面再做精细床面形态测量.复式河槽流量由槽首的矩形堰量测,水位由自动水位仪量测.试验结果表明,随着泥沙淤积量的增大,主槽水深变浅;而河道水深变浅,又将会使床面泥沙起动的作用力减小,河道水深将变得更浅.清水作用下的全动床复式河槽达到稳定时,河道稳定宽度将沿程变化;河道完全粗化后,主槽宽度增大,滩岸侵蚀速率在空间上变化趋势表现为越往下游,滩岸侵蚀速度越小;在清水作用下,河道滩岸发生侵蚀,其侵蚀面积有沿程减小的趋势,这与流速沿程的变化相一致.     

桨距角对螺旋桨气动特性的影响

为了研究桨距角的大小对螺旋桨的整体气动性能的影响,基于滑移网格和动网格技术,使用CFD软件求解非定常不可压流动的N-S方程和S-A湍流模型,分别对桨距角静态变化和动态变化下的螺旋桨气动特性进行了模拟分析,桨距角静态变化角度分别为0°,3°和6°,桨距角动态变化时桨距角按照正弦变化曲线从0°增大到4°.数值计算结果表明:在桨距角静态变化过程中,螺旋桨的拉力和扭矩均随桨距角的增大而增大,而效率降低,相对于桨距角0°,桨距角3°时的拉力提高了20%~30%、扭矩提高了将近30%~40%.在桨距角动态变化过程中,随着桨距角的增加,拉力、扭矩及需用功率均呈线性增加,效率减小,此外,桨距角静态变化时的桨距角3°与和桨距角从0°增大到4°动态变化时的桨距角3°所对应的气动参数大致相同.     

文丘里施肥器能量转化关系

为了深入了解文丘里施肥器喉部负压的产生条件和变化过程,通过对进出口和喉部分别有测压设计的文丘里施肥器进行有压过流试验,研究了水流在不同特征断面处的能量转化关系.对于试验用文丘里施肥器,试验结果表明:当压力水流通过时,进口处的压能将转化成喉部处的动能,随着进口压能和流量的不断增大,喉部动能增大,喉部的压能完全消失,局部开始产生负压,负压达到最小值后,继续增大进口压力水头将不再引起喉部负压值的变化,但流速的增幅明显增大,喉部动能随流量的增加呈抛物线形趋势增大,产生的水头损失急剧增大;对于同一流量,喉部实际流速与理论流速的差异反映了喉部对应断面处的真空空间的大小;相对于自由出流,非自由出流条件下,喉部开始产生负压时对应的进口起点压力提高,流量相对较大,产生相同负压时的进口压力和流量明显高于自由出流条件.     

文丘里施肥器能量转化关系

为了深入了解文丘里施肥器喉部负压的产生条件和变化过程,通过对进出口和喉部分别有测压设计的文丘里施肥器进行有压过流试验,研究了水流在不同特征断面处的能量转化关系.对于试验用文丘里施肥器,试验结果表明:当压力水流通过时,进口处的压能将转化成喉部处的动能,随着进口压能和流量的不断增大,喉部动能增大,喉部的压能完全消失,局部开始产生负压,负压达到最小值后,继续增大进口压力水头将不再引起喉部负压值的变化,但流速的增幅明显增大,喉部动能随流量的增加呈抛物线形趋势增大,产生的水头损失急剧增大;对于同一流量,喉部实际流速与理论流速的差异反映了喉部对应断面处的真空空间的大小;相对于自由出流,非自由出流条件下,喉部开始产生负压时对应的进口起点压力提高,流量相对较大,产生相同负压时的进口压力和流量明显高于自由出流条件.     

有压平直管道内交汇柱系下游流场特性分析

为研究管道车作为一种交汇圆柱系式的钝体结构在有压管道流场绕流时,在柱系下游产生的流动分离和尾迹涡现象,运用理论分析与数值模拟相结合的方法,对柱系下游的流场特性进行了研究.数值模拟采用了LES-WALE湍流模型,其结果与物理试验结果比较证明了数值模拟的可行性.对数值模拟结果进行理论分析:首先,由于流动分离柱系后流场中速度分布整体上分为低速流区与高速流区2部分,低速流区主要分布在断面中心位置,高速流区分布在断面外围,呈近似环状分布;其次,流场沿程速度幅值方面,从交汇柱系下游近端断面到远端断面,其中部分低速流区域的整体速度幅值愈高,周围高速流区的速度幅值愈低,并且两区域流场随距交汇柱系距离的增加呈现趋同变化;最后,关于流场的压强特性方面,沿程压强整体呈下降趋势,断面Z6仅与同流量时管道流场断面平均压强相差3.4%.     

导流条安放角对动边界缝隙流水力特性的影响

为了进一步探讨不同导流条安放角对管道车动边界环状缝隙流水力特性的影响,采用模型试验和理论分析相结合的方法,对管道车导流条安放角变量分别为10°,15°,20°以及25°的动边界环状缝隙流场的水力特性进行研究.试验测试断面位于试验系统的平直管段,管道流量条件为40 m3/h,管道车荷载为600 g.研究表明：随着管道车导流条安放角的增加,管道车运移时动边界环状缝隙流的轴向流速与周向流速的最大值将逐渐增大,径向流速的最大值将逐渐减小,断面压强呈现出先增大后减小的变化趋势;同一导流条安放角条件下,lc×dc=100 mm×70 mm（lc为管道车的料筒长度,dc为管道车的料筒直径）管道车动边界环状缝隙流的周向流速与径向流速最大,lc×dc=150 mm × 60 mm管道车动边界环状缝隙流的轴向流速与压强最大;动边界环状缝隙流水力特性的变化主要存在于导流条两侧的近壁面流场区域.研究不仅丰富了环状缝隙流的相关理论,而且为管道车导流条的设计提供了理论基础.     

非等温明渠交汇流的水力-水温特性研究

渠冰灾害是我国北方寒冷地区输水工程中常见运行安全问题。拟探究采用离线水库的底层温水来改善干渠水温，防止冰凌、冰塞等次生灾害产生的方法，对于提高调水工程冬季输水效率并保障工程冬季运行安全具有极其重要的工程意义。干支流交汇是天然河网和人工渠网的常见的水力现象，交汇处非等温掺混受其复杂的水力特性影响。本文以某大型调水工程与其沿线调蓄水库为研究对象，利用流体仿真软件Fluent建立了三维水动力学-热力学耦合输运模型，探究不同的掺混比、渠道交汇角时非等温库渠交汇的掺混规律及水库温水对干渠水温的提升效果。仿真结果表明：(1)交汇口下游水力-水温掺混存在明显的三维分布特征，下游出现明显的低速回流分离区及横断面二次环流区，断面平均水温在交汇口下游500 m后基本不变；(2)掺混比越大，水流紊动越剧烈，水温在横断面上扩散范围越大，水流掺混均匀后干渠温度提升值越大，最大为1.25℃；(3)交汇角越大，横断面环流越强，掺混均匀速率越快；不同交汇角工况水流掺混均匀后温度提升值不同，为保证水流掺混速率及水温提升效果建议选用渠道60°交汇角。研究成果可为调水工程冬季渠道水温主动调控及提高输水能力提供思路与数据支撑...     

叶片包角对高比转数离心泵性能的影响

为研究设计工况下叶片包角对高比转数离心泵性能的影响,以一台比转数为185的单级单吸离心泵为研究对象,在保证泵体和叶轮其他几何参数相同的前提下,将叶片包角分别设计为110°,115°,120°,125°和130°. 应用ANSYS CFX 14.5软件对离心泵内流场进行数值计算.结果表明:叶片包角对外特性有显著影响,包角过大,扬程和水力效率整体下降;当叶片包角增大到130°时,最佳效率点向小流量偏移近20%;同时,随着叶片包角的增大,叶轮进口低压区增大,更容易发生汽蚀;叶片包角从110°增大到115°时,蜗壳内流动更加平顺. 当叶片包角增大到125°时,隔舌附近出现明显的低速旋涡区,随着包角进一步增大,旋涡区域扩大且向出口处移动;此外,当叶片包角为120°时,各监测点的压力脉动幅值较低,说明对于动静干涉作用的影响,叶片包角存在一个最优值. 针对叶片包角为120°的模型泵进行了性能试验,对比发现数值计算的结果与试验结果趋势一致,表明数值计算方法是可信的,对高比转数离心泵水力设计具有一定的参考价值.     

三维数值模拟扩压管锥角对涡流管性能影响

为研究涡流管冷端扩压管锥角对其性能的影响,进一步优化涡流管的结构参数,基于SolidWorks建立三维模型,利用软件Fluent,采用Standard k-ε湍流模型模拟涡流管管内气体流场,得到锥角5°,10°,15°,20°下冷端管的压力、速度、温度云图,当锥角大于15°时,分离效率开始下降,且冷端出口温度随着锥角增大逐渐升高,涡流管锥角不宜超过15°。     

不同突扩比下空间淹没水跃的水力计算

突扩能够使局部范围内水流紊动剧烈,可以作为水利工程中消能工的一种重要方式．为了探讨突扩比对下游流体水力特性的影响规律,基于RNG k-ε紊流模型和PISO压力-速度耦合算法,采用非均匀结构网格技术,建立了三维紊流数学模型,对突扩比分别为1000,0833,0.667,0500,0333等5种空间水跃进行了多工况数值模拟,结合试验数据,计算结果量纲一化,讨论了不同突扩比大小对下游水力性能的影响,并分析了下游流速、紊动能及消能率等随突扩比的变化规律．数值计算结果表明:突扩比对下游流速、紊动能及消能率影响显著,突扩比越小,下游流速变化越显著,主流在空间内扩散愈迅速,流态转变越明显;随着突扩比的减小,紊动应力愈小,紊动能量愈小,而消能率越大;突扩水跃较典型水跃消能效果明显增强,当突扩比小于0500时,消能率增大不再显著．     

筒装料管道水力输送动边界流压力特性

为深入探讨筒装料管道水力输送过程中同种型号双车运行时所产生的动边界条件下有压管道内部断面压力分布以及压降特性问题,对型号100 mm×60 mm、荷载750 g的管道双车在30,40,50,60,70 m³/h等不同流量作用下两车车身环隙断面、车间断面的压力分布以及车组沿程压降特性进行试验研究和分析,两车运行时车间距离条件为10 cm.研究表明:当流量增大时各测试断面压力值增大;双车车体沿程压力呈现先减小后增大的趋势;沿水流方向,后车引起的压降值明显高于前车;后车环隙断面内,自固定边壁向动边界压力值呈现“降-升-降”趋势,前车环隙内则为总体下降趋势,且后车环隙压力梯度高于前车;不同流量条件下,车间断面内压力分布基本为管道边壁附近值较大,内部值较小,且分布不均匀,压力梯度随流量增大而增大.     

基于Fluent的喷枪辅助孔、扇面孔的模拟研究

利用三维建模软件SolidWorks得到不同角度的喷枪的三维模型,然后在ICEM中划分网格,最后导入到Fluent,设置好参数,进行仿真计算。通过分析可知,当辅助孔角度在-15°~-5°变化时,随着辅助孔角度的增大,雾幅锥角基本保持不变,平均粒径在增大;当辅助孔角度在0°时,雾幅锥角增大,平均粒径减小;当辅助孔角度在0°~15°变化时,雾幅锥角、平均粒径基本上保持不变。当扇面孔的角度在115°~120°变化时,雾幅锥角、平均粒径基本保持不变;当扇面孔的角度在125°~135°变化时,雾幅锥角、平均粒径增加。综上所述,为了得到更好的雾化特性,选择喷嘴参数为:辅助孔角度为0°,扇面孔角度为125°。     

深井离心泵叶轮出口边斜度对水力性能的影响

多级深井离心泵在机井内工作,其外径受井径的限制,最大流量也受限制.为了提高泵的水力效率,最大限度增大其单级扬程,以100QJ10型深井泵为例,建立连续方程、动量方程,并采用标准k-ε双方程湍流模型,应用全隐式多网格耦合算法,对5种叶轮出口边斜度10°,15°,20°,25°,30°进行全流道内部流场的三维不可压缩稳态黏性湍流流场的数值模拟,并比较分析其在相同工况下的水力性能、内部流场湍动能、速度场、压力分布等,寻找最优的叶轮出口边斜度.研究结果表明:随着斜切角度的增大,泵的效率和单级扬程呈现出先增大后减小的趋势,其单级扬程在较小的叶轮斜切角时最高,水泵效率在较大的叶轮斜切角时最高;综合分析,20°被认为综合性能指标最优叶轮出口斜度.计算结果与样机试验结果基本吻合,新研制的100QJ10的多级深井离心泵效率为58.9%,比同类产品效率高出5.9%.     

湿地植物生长对水流特性影响的实验研究

针对云南滇池高原湖泊湿地植物生长种类,采用水槽实验,进行了三种流量、三种不同生长期植物的植物带前、中、后断面沿程流速和垂线流速分布的实验,通过水槽实验研究,分析了植物生长对水流结构影响机理。实验研究表明:①种植物时,植物带前各断面流速比无植物时都有一定的减小,植物对水流有明显的阻滞作用。植物带段过流流速沿程逐渐增加,在一定距离后达到最大值;同一流量条件下,随植物的生长,对水流的阻滞作用越明显,流速变化越大。植物大小一定时,流量越大,植物中流速达到最大值的距离越长。②植物段水流垂线流速分布与明渠恒定流垂线流速分布规律有所不同,植物底部流速比明渠恒定流要小,水面流速比明渠恒定流要大;植物带后水流流态恢复到明渠恒定流流态需要一定的距离。     

竖缝位置对异侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟与分析

异侧竖缝式鱼道具有能较好适应水位变化、消能效果明显和水流流态较好等特点。根据设计准则，对研究区域内的鱼道进行体型设计，采用数值模拟的方法，探究竖缝位置变化对异侧式竖缝鱼道水力特性的影响。模拟结果表明：竖缝位置对异侧竖缝式鱼道池室最大流速几乎没有影响，对主流区最大流速沿程变化影响较小；随着竖缝中心逐渐向池室中央靠近，主流区沿程最大流速衰减率先逐渐变大后趋于饱和；主流区左上部分回流区大部分流速逐渐减小后又增大，右下部分回流区大部分流速逐渐增大，两侧回流区面积比值逐渐减小；竖缝位置距池室侧壁为池室宽度的0.13～0.50时，池室内紊动能最大值变化范围在0.074～0.116 m²/s²之间；竖缝位置距池室侧壁为池室宽度的0.23～0.40时，池室内水流流态最佳，能显著提高研究区域内的半洄游性鱼类的洄游效果。研究结果对相关鱼道工程的设计具有参考作用。     

混流泵叶片安放角对内涡结构及叶轮-导叶适应性的影响

转叶式混流泵的叶片安放角可以调节,当工况发生改变、叶片安放角调节后,叶轮-导叶的适应性将随之变化,进而影响到混流泵的水力性能.以一叶片安放角可取-4°,0°和4°的转叶式混流泵为研究对象,从涡结构的角度出发,探究叶片安放角改变对叶轮-导叶适应性的影响规律.研究结果表明:随着叶片安放角的增大,叶轮内部涡结构的大小在逐渐增...