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。     

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。     

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。     

不同湍流模型对库区水温分布模拟的影响

【目的】探讨不同湍流模型对库区水温分布模拟的差异,为大型深水水库水温的准确模拟提供科学依据。【方法】以黄河上游李家峡水库为例,分别选取Smagorinsky、标准k-ε、混合k-ε等3种湍流模型,模拟预测李家峡水库升温期和高温期库区水温的分布,利用实测的水温资料,对比分析3种湍流模型水温模拟的精度,总结3种湍流模型模拟库区水温的分布规律。【结果】Smagorinsky模型、混合k-ε模型模拟的坝前垂向水温与实测水温吻合程度较高,标准k-ε模型的模拟结果与实测水温有一定差异;3种湍流模型模拟的发电引水口水温均高于实测水温,混合k-ε湍流模型模拟的5月水温与实测水温的最大误差为5.2%,Smagorinsky模型、标准k-ε模型模拟该月水温的相应误差为11.1%和8.2%,以混合k-ε湍流模型的误差最小、精度最高;升温期3种模型模拟的纵垂向水温均呈混合状态分布,高温期均呈弱分层状态分布,其中混合k-ε模型模拟水温在水下20m以内出现较为明显的温跃层,与实测水温更为接近。【结论】针对大型深水水库的水温模拟,宜采用混合k-ε湍流模型,其模拟精度高、水温分布更接近实测。     

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。     

基于Flow-3D的多阶明渠工程数学模型研究

【目的】研究灌区多级阶梯明渠水流的水动力特性及泥沙淤积问题,并评价其对多阶明渠工程的影响。【方法】基于VOF方法,在Flow-3D平台上建立了山东省德州市牛角店输水工程的三维数学模型,通过模拟不同工况下的三维多阶明渠水流,对比分析水流流速分布、水面线变化及渠底泥沙淤积情况。【结果】水流流态平稳后,最大流速出现在第二级阶梯上,挟沙水流流速较清水流速大0.50～0.86 m/s;在挑坎及第二级阶梯上,水面线变化幅度较大;随着时间推移,泥沙主要淤积于挑坎前及第三级阶梯底部,200 s时淤积厚度最高达0.143 mm。【结论】在牛角店输水工程施工及后期运行中,适当加固第二级阶梯渠底,提升第二级侧墙高度,并通过调控下游水位以保证灌渠的安全运行。     

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。     

单鳃片分离鳃固液两相流流场三维数值模拟

利用RNG k-ε两方程紊流模型和简化的多相流Mixture模型,对单鳃片垂向异重流式分离鳃固液两相流场进行了三维数值模拟。结果表明,装置内存在水沙绕鳃片形成的横向异重流和水沙绕容器边璧运动的垂向异重流现象。鳃片上下两侧各存在一个顺时针涡旋,两侧通道与鳃片上、下表面流速较大,其余区域流速很小。三维模型能较好地反应水沙混合物的运动,模拟结果与实际吻合较好。     

田间便携式短喉槽的数值模拟

为进一步研究田间便携式短喉槽过槽的水流特性及测流精度,基于临界流原理和RNGk-ε三维湍流模型,利用FLOW-3D软件对喉道宽度为76mm的田间便携式短喉槽在16种工况下的水力特性进行全流场数值计算,获得了时均流场、槽内水流流态、断面流速分布及佛汝德数,并与试验实测值进行对比分析。结果表明:1)模拟流场分布及流态与模型试验情况具有一致性,量测流量范围宽,最大可达40L/s,能够满足田间量水的流量要求;2)水深、断面流速、佛汝德数模拟值与实测值基本吻合,相对误差均小于10%;3)该短喉槽最大水头损失占总水头的12.89%,小于长喉槽最大水头损失占总水头的13%;4)通过回归分析得到了田间便携式短喉槽的上游水深-流量计算公式,其最大测流误差为9.95%,满足灌区量水精度的要求。     

黑麦草对黄土坡面降雨产流产沙过程的影响

为研究草地对土壤侵蚀过程的影响,选用黄绵土人工种植草地,采用室内模拟降雨试验研究黑麦草不同覆盖度（0、25%、50%和75%）对3种降雨强度（60、90和120 mm/h）坡面产流产沙过程的影响。结果表明：黑麦草覆盖可以显著减小侵蚀产沙。在坡面土壤预饱和的条件下,坡面产流、产沙与时间呈线性关系;累计产流量随降雨强度线性增加;同一降雨强度条件下,草地覆盖度对累计产流量影响不显著;草地坡面水流含沙量、输沙率、次降雨产沙量均随覆盖度增大而降低,随降雨强度增大而增加;3种降雨强度条件下,无黑麦草覆盖坡面水流含沙量差异不显著,次降雨产沙量和输沙率随着降雨强度的增加而增大。研究结果可为土壤侵蚀预报模型建立及水土保持措施的制定提供理论参考。