天然河道分汊口闸段过流水流特性的试验研究

鉴于天然河道分汊口地形、水力条件复杂,流量分配不易控制,在实际工程中,拟建堰闸横向组合型拦河建筑物来调节侧汊流量。采用物理模型方法,在不同流量及闸门开度条件下,研究了新型拦河建筑物闸段过流对分汊河道水流特性的影响,利用经验公式对闸门流量系数进行了计算,并且与实测值进行比较。结果表明:闸段过流时侧汊分流比明显小于全断面过流,且闸门开度和来流流量均影响分流比大小。随闸门开度增大,侧汊分流比增大,且流量越小,增幅越大;当闸门开度相同时,流量越大,侧汊分流比越小。由于水力因素复杂性和拦河建筑物非对称性,拦河建筑物上游水位、流速分布不均,闸门开度相同,流量增大,上游水位最高点向闸段侧偏移;流量增大,闸门开度增大,上游流速峰值向闸段侧偏移;在总流量为3000m3·s-1附近,上游水位不随闸门开度变化。闸门开度一定时,流量越大,闸后消力池内Fr越大,消能效果越好。总流量为4600m3·s-1时,Fr在2.5～4.5之间,产生不稳定水跃;总流量为3000m3·s-1和1500m3·s-1时,Fr在1.0～1.7之间,产生波状水跃。利用三种现行公式计算的流量系数与实测值相比误差较大,现行公式对流量系数的影响因素考虑欠缺,本研究引入闸孔侧收缩系数ε对现行公式进行修正,该修正公式的计算值均在±10%误差范围内,结果较为精确。本试验结果不仅丰富了新型拦河建筑物附近的水流运动理论,也对河道整治、新型拦河建筑物设计等相关工程提供理论支撑。     

矩形渠道分水口分流规律及影响因素

目前渠道分水口分流规律的研究侧重于分水口两侧渠底高程一致的情况,但在实际工程中多为侧渠道渠底高程高于主渠道渠底,针对这一实际问题,对矩形渠道直口渠分水口进行分流规律试验,测量分水口处的水深,获得分水口处的水面线,分析不同分流比下,水面变化和分流比与相对堰上水头、主渠上下游傅汝德数的关系及流向角与分流比的关系。结果表明:不同来流量下,分水口附近的的水面线变化规律基本一致,都为壅水曲线;同一流量下,分流比随相对堰上水头的增大而增大,随主渠道分水口上下游傅汝德数的增大而减小;同一流量下,流向角随分流比的增大而增大,增加趋势逐渐变缓,最大流向角均趋近于60°。     

机翼型闸墩量水闸门水力性能试验研究

针对特设量水设施缺少调控功能和传统闸门测流精度低的问题,设计一种以机翼形量水槽作闸墩的新型量水闸门,根据测流原理分析确定试验观测参数,采用水力性能试验的方法,对不同流量Q、不同闸门开度e条件下量水闸门的过流流态变化及流量公式进行研究。结果表明：1）机翼型闸墩量水闸门各流态闸前水流平稳,上游水深和水翅最高点随流量增大而升高,随开度增加而降低;上游水面线的变化随流量增大而变小,随开度增加而变大。2）闸墩的流线体型使得堰孔流的判别阈值（闸门相对开度）发生改变,判别阈值随流量的增大而降低,而后趋于平稳,最低为0.75,高于平底坎平板闸门的判别阈值0.65。3）拟合得到新型量水闸门堰流及闸孔出流的流量公式,与实测流量对比,相对误差小于5%。本研究提出的机翼型闸墩量水闸门既实现测控一体的功能,又保证流量的精准测量,可为灌区量水设施应用及研发提供参考。     

渠道下游常水深运行非恒定流数值模拟研究

为了研究闸门调控下的梯形渠段非恒定流过渡过程,在下游常水深运行条件下,采用矩形网格特征线法,对渠段上游来水量变化和渠段上游闸门在不同线性调节方式下引起的非恒定流过渡过程进行了数值模拟,研究了渠段上游来水量变化时下游流量、上游水深变化过程,探讨了渠段上游闸门在不同线性调节方式下上、下游流量和上游水深的变化过程。结果表明,当上游来水量变化时,下游流量和上游水深经历一段时间都趋于稳定,且流量变幅越大,趋于稳定的时间也越长。闸门按线性函数式调节开度后,闸门过流流量、上游水深基本按线性规律变化,而后基本维持稳定不变。     

梯形渠道分流量及其影响因素初探

【目的】研究梯形主渠分水口水流形态,分析分水口附近水面变化规律以及分水口水头损失,建立矩形支渠分流量公式,为灌区量水技术的精确化提供支持。【方法】对灌区广泛应用的梯形渠道90°分水口进行分流试验研究,采用分流模型试验设置了5种梯形主渠来流量Q₁,每种Q₁下又设置5种分流比,共进行25组试验,通过9个控制断面的水深变化分析其水面线变化,规律以及矩形支渠分流量系数（m）与断面Ⅰ傅汝德数（F_r1）的关系;根据矩形支渠分流量Q₂与主渠水深和傅汝德数的相关性,建立Q₂的计算公式,并对上游傅汝德数和分水口水头损失进行了探讨。【结果】当Q₁为26.40和33.17 L/s时,5种分流比下梯形渠道水深的变化规律基本一致,即水深在分水口附近变化很大,水位在分水口口门处有所下降,接近分水口下唇时略有壅水,最大相对壅水高度为上游水深的0.18倍。在同一Q₁下,F_r1与m之间呈较为明显的负相关关系。随着分流比的增大,相对水头损失减小,最大相对水头损失为26%;当分流比大于0.6时,相对水头损失保持在较低水平,有利于支渠引水。【结论】最终建立的Q₂与水位关系式的决定系数大于0.9,操作简便。梯形渠道90°分水口的分流比控制在0.6左右时相对水头损失最小,该分流比为利用分水口实现流量一体化测控提供了参考。     

异侧竖缝式鱼道在实际工程中的设计与模拟分析

竖缝式鱼道具有水流条件好,回流区位置明确,适应上下游水位变化能力强的特点,是目前过鱼效率高、应用广泛的过鱼工程设施。为增加研究区内鱼类洄游的效果,根据规范要求,初步设计3种鱼道池室隔板型式,利用数值模拟的方法,在上下游2 m等水深的条件下,探究隔板型式变化对池室水流结构的影响。通过分析池室内的水流流态、竖缝处流速分布以及消能效果等对隔板型式进行优化。通过改变第2种隔板型式尺寸,竖缝宽度由0.6 m降低到0.5 m,在池室水流流态以及竖缝处流速较好的前提下,使竖缝附近最大流速小于设计流速1.2 m/s;并对优化体型进行不同等水深条件下的过流能力计算,在水深变化0.5～2.0 m区间时,鱼道过流能力在0.236～0.951 m3/s之间。池室内良好的水流流态以及竖缝处流速分布的合理性为研究区内大部分鱼类的上溯提供了良好的通道,不同水深的过流能力为鱼道运行调度起到了参考作用。     

基于单片机的水位、闸门测控系统

为了了解实时水位和闸位情况,减轻调度人员的工作强度,提高对水位的响应速度,韶山灌区建立了水位、闸门测控系统。系统采用8031单片机对水位、闸位实时采集,通过RS-485将数据传输给中央控制室的PC机。当单片机接收到PC机传输来开、关闸命令时,自动根据传输来的数据开、关闸门到规定位置。     

基于ANSYS的平面闸门流固耦合振动特性的有限元分析

应用有限元振动分析方法对我国新疆某大型农业水利工程倒虹吸出口平面闸门的固有振动特性进行计算与分析。建立了平面闸门的实体模型和有限元模型,考虑流固耦合对闸门结构动态特性的影响,分析了平面闸门在无水和有水状态下的动态特性,计算得到闸门的前6阶固有频率及其振型。结果表明,闸门开度对其自振频率有着显著影响,在小开度时第1阶固有频率下降达到28.5%,沿竖直方向的整体振动的模态频率接近20 Hz,因此,为了提高闸门的第1阶固有频率,必须对闸门结构进行改进。     

矩形水槽中梯形边墩水流三维数值模拟

针对矩形水槽中梯形边墩周围水流,建立耦合VOF法的三维非稳态水气两相流模型.求解后,将水深与流速分布与试验结果进行对比分析,吻合较好.在此基础上分析梯形边墩附近典型断面的流速矢量分布、绝对流速分布及湍动能分布.结果表明:在梯形边墩上游形成偏斜水流,下游形成同流区的水流结构;在边墩外侧壁处达最大流速值,在边墩上游和外侧附近的湍动能较强烈.     

农用离心泵内流体流动特性模拟

本文基于CFD仿真技术对不同转速和进口流体流速下的泵内流体流动规律进行研究。模拟所采用的网格大小对结果影响较小，并且模拟结果获得了实际值的验证。研究发现不同的转速和流速下，在叶片旋转带动下叶片附近的流体速度较大，当流到出口附近时速度减小。由于泵内流体的流动靠叶片的带动，转速对泵内的流体流动影响明显大于入口流速的影响。在进行离心泵的选型和操作条件设置时，离心泵的转速要适中，这样不会因为流体碰撞避免引起能量损耗。而且入口的流速也要适中，减少叶片离心泵的能耗同时提高效率。本文的研究结果可为离心泵的设计和使用提供一定的指导，促进农业灌溉节水目标的实施。     

悬板区流场测试分析

通过悬板分层式引水渠首所谓皮卡洛夫堰以线堰两种不同堰型水力要素的测试，分析了现任中堰型悬板上下层分流量，流速分布、水面线及流太，在此基础上对两种悬板缘头型式作了分析比较。对上核定上堰型现行过流能力的计算方法提出了异议。     

尊村引黄灌区渠道水流挟沙力研究

[目的]掌握尊村引黄灌区渠道的冲淤情况。[方法]以尊村引黄灌区二干渠为研究对象,分析了渠道的挟沙力及影响因素。[结果]渠道夏灌时挟沙力要比春灌时大,不同灌溉期观测断面挟沙力的变化趋势基本一致;影响渠道挟沙能力的主要因素有流量、来沙含量等。[结论]该研究结果为解决渠道淤积问题提供了参考。     

低佛氏数水跃紊流数值模拟研究

【目的】研究低佛氏数(Fr₁)水跃紊流的水力特性。【方法】采用VOF方法处理闸门上、下游表面,用二维RNG型k-ε紊流数学模型,对低佛氏数（Fr₁=2.0～4.5）水跃紊流进行数值模拟,研究了不同低佛氏数水跃的跃后水深、水跃长度及流速分布,分析了水跃区及其下游明渠流区压强、紊动能、耗散率和水跃消能率的特性。【结果】淹没系数大于1.2时,水跃长度均大于其他经验公式计算的水跃长度,且水跃长度增幅随佛氏数的增加而增大。水跃区断面各点时均流速最大值沿程减小;跃后明渠流区,断面各点平均流速沿程无明显变化。水跃区主流与漩滚交界处附近,特别是泄水闸门附近的紊动能及耗散率均最大。随着佛氏数的增加,理论和实际消能率均增大,且理论消能率大于考虑了跃后紊动能的实际消能率。【结论】低水头水利枢纽泄洪功率较大,应充分考虑低佛氏数水跃实际消能率低的水力特性,设计合理的消能设施以解决其消能防冲问题。     

臂坡对堰槽组合设施测流影响分析

针对堰槽组合设施在遭遇洪水、水位较高时引发的坡脚掏蚀、岸坡冲刷崩塌等问题，将设施两侧堰顶设置一定坡度，形成向槽内倾斜的臂坡，使水流向设施中部集中，减少对两岸边坡的冲蚀。采用水力性能试验的方法，对3种臂坡(0，1/16和1/8)在12种流量(6~61 L/s)条件下的中垂面水深、弗汝德数沿程变化规律、臂坡对设施泄流能力的影响及流量公式进行研究。结果表明:1)3种臂坡下的堰槽组合设施水深沿程变化相似，随着臂坡的增大，中垂线上游水位壅高增大，两侧堰靠近岸坡一侧的堰上水深减小，明显减少了水流对两岸边坡的冲蚀；2)臂坡对临界流断面位置影响较小，集中出现在排淤量水槽梯形窄段的后半段；同一流量下，堰槽组合设施的流量系数随臂坡的增大而减小；同一臂坡下，堰槽组合设施的流量系数随着流量的增大而减小；3)相对水头较小时，流量系数变化明显，相对水头较大时，流量系数相对稳定，将流量系数分为变动流量系数和稳定流量系数2个区，并分别拟合出不同臂坡条件下的流量计算公式，与实测流量相比，臂坡为0、1/16和1/8时，相对误差绝对值的最大值分别为2.22%、2.37%和2.21%，平均相对误差分别为0.88%、0.95%和1.15%。此外，在流量为11 和21 L/s时，臂坡的增大使得流量公式计算值的相对误差由-2.22%降至-0.44%和由2.35%降至-0.24%。综上，臂坡的存在能够减少水流对两岸边坡的冲蚀，对临界流断面的影响较小，增大臂坡还可有效提高堰槽组合设施在小流量情况下的测量精度。     

北京市密云区龙潭沟流域泥石流灾害成因与动力学特征

目的2011年以来北京市密云区龙潭沟流域多次暴发严重泥石流灾害,严重威胁了当地人民生命财产安全和社会经济发展。2016年8月12日泥石流过后,本文以该区受灾严重的艾洼峪与大木峪为研究对象,系统分析单沟泥石流的灾害成因与动力学演化过程,旨在为该区单沟泥石流灾害防治提供理论依据。方法在现场调查、室内实验和遥感影像解译的基础上,结合降雨资料、泥石流粒径组成和沿程流速流量断面变化进行分析。结果(1) 2012—2016年,艾洼峪物源体面积增加了11.12倍,大木峪增加了4.41倍。(2)2016年最大小时降雨量占累积降雨的比例高达47.0%;相比2011年,2016年泥石流前期降雨少,激发雨强是2011年的2.87倍。(3)艾洼峪和大木峪泥石流密度分别为1.95和1.88 g/cm3,黏粒含量分别为0.02%和0.05%。(4)标度分布结果为:0.853 1 < R2 < 0.959 2,0.019 1 < μ < 0.033 8,10.31 < D_c < 10.99。(5)艾洼峪泥石流支沟汇流导致流速、流量分别增加了0.21和1.67倍,流经油松林后,流速下降了22.9%,流量下降了86.2%,泥石流堆积物平均粒径d₅₀降低了53.0%;大木峪泥石流流经人工堆石坝后,流速、流量分别增加了0.16和7.71倍。结论(1) 自2012年来,艾洼峪、大木峪物源体面积逐年增加,具备再次发生泥石流的物源条件。(2)短历时、高强度的降雨是该区泥石流暴发的主要激发条件,前期降雨充沛的条件下,泥石流的激发雨强下降。(3)两条沟道为高密度低黏度的黏性泥石流。(4)标度分布对艾洼峪、大木峪泥石流颗粒具有很高的拟合度,两沟μ < 0.05,验证了两沟为高密度泥石流的结论,造成两沟D_c值偏小的主要原因是沟道泥石流黏粒含量低。(5)艾洼峪泥石流流量陡增至峰值是由于支沟泥石流汇入主沟造成,沟道油松林对泥石流流速、流量有削减作用,对大颗粒物质有过滤作用;大木峪流量陡增至峰值是由于沟道中的堆石坝溃决造成。      

近10年长江镇扬河段世业洲汊道演变研究

通过对长江镇扬河段世业洲汊道近10年来0m高程线以下的固定断面面积、0 m线宽、最大深度、平均深度、分流比及平均流速等6个数据参数的研究分析,揭示了汊道在此期间的演变过程,并得出相关结论：世业洲右汊道仍处于主航道地位,但整体河面在加宽,平均深度在变浅,河床呈较明显地淤积趋势;左汊道处于次航道地位,各项参数的数据表明左汊道有变窄加深趋势,尤其汊道下段变化更为明显,冲刷严重.     

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...