渠底螺旋流形成及其流速结构的分析研究

渠底涡管螺旋流排沙是利用涡管内产生的螺旋流排除渠道中来沙的一种泥沙处理技术.渠底涡管排沙的机理是水沙的惯性作用和边界条件相结合的产物.在涡管内水流沿管方向运动,同时受到渠道水流纵向流速的影响,在涡管内形成既有纵向流速又有横向流速的水流运动,从而形成螺旋流.为对渠底螺旋流形成及流速结构有一个比较深入的认识,首先分析了影响渠底螺旋流形成的关键因素,并通过已有的试验资料对渠底涡管内螺旋流横向流速分布进行分析计算,然后讨论了不同流量不同底坡对流速分布的影响,得出了关于渠底螺旋流的规律性结论.     

螺旋流排沙管三维数值模拟

涡管排沙以其成本低、效率高等优点而被常常应用于引水明渠的渠首中,但由于涡管尺寸小、流动三维性强等特点,涡管中流动的真实信息很难得到,不利于涡管的优化设计。应用FLUENT软件,以RNG k-ε湍流模型封闭Reynolds方程,SIMPLE算法求解方程组,采用VOF法追踪自由表面,对明渠排沙涡管中流态进行了三维数值模拟,得到了涡管内切向和轴向流速分布的完整信息。分析了水深、排沙涡管开口宽度、涡管直径、涡管与渠道轴线夹角、涡管开口长度和涡管纵向坡度等参数对涡管内流速分布的影响,对于明渠涡管螺旋流排沙设计具有一定的参考意义。     

水电站引水渠道上的涡管排沙工程

当渠道中的水流切向冲入涡管时产生的螺旋流会把落入涡管中的推移质泥沙颗粒卷扬起来，形成悬移质，而水流输送悬移质的能力远大于输送推移质的能力。作者利用此原理进行了水电站引水渠道上的涡管排沙设计，实践证明，该方法简单可行，排沙率高，造价低廉，有推广价值。文章介绍了涡管排沙的原理、实验结果、设计要点以及实例。     

正态漏斗附近水沙数值模拟

针对水库淤积问题,设计了一种正态漏斗排沙装置,在水槽中开展水流试验。对正态漏斗附近水流-泥沙进行欧拉两相流模拟,用水流试验数据对数值模型进行验证,进而分析了不同边界条件下流速、涡量和相浓度场。结果表明,漏斗内部流速梯度较大,泥沙相浓度等值线呈V型不对称分布,漏斗前缘、左后侧和右后侧出现大涡量区。与锥形漏斗对比,正态漏斗近壁面流速大,水流阻力小,3种边界条件下平均涡量减小25.8%～27.2%,出口泥沙相浓度增大15.2%～16.5%,具有降低能量耗散、显著提高排沙效率的作用。     

含刚性粗糙元渠道水流流速分布试验研究

【目的】探索渠道内刚性粗糙元对水流流速分布的影响。【方法】用三维超声波多普勒流速仪(ADV)采集水流稳定后不同位置的流速值,并对获取数据进行平均化处理,分析了不同流量、不同粗糙元布置形式和不同粗糙元形态下明渠中非淹没刚性粗糙元前后水流流速结构和淹没刚性粗糙元后尾流结构,着重研究水流纵向流速u的纵向分布结构。【结果】①非淹没圆柱体试验,在不同流量、不同圆柱体排数下,流速u的流速分布相同;②淹没粗糙元在y方向使水流形成了1个3层的速度剖面,3层水流流速分布不同,不同淹没粗糙元形态对水流结构具有显著影响;③基于模型试验数据,对非淹没圆柱体试验数据采用非线性拟合的方法,分别得到了单根圆柱体上下游纵向流速分布的拟合式;④采用量纲分析得出,粗糙元在淹没条件下,其下游纵向流速u与水流特性、渠道特性及粗糙元特性有关。【结论】淹没条件下,粗糙元后水流流速纵向分布形成了1个3层的速度剖面;而非淹没条件下,粗糙元后水流流速纵向分布均呈现出"对勾"的形式。     

U形渠道水流紊动特性试验研究

在U形混凝土明渠内,采用声学多普勒点式流速仪(Vectrino)测量了不同流量下的瞬时流速,对明渠水流紊动的准周期、频率等水流紊动特性进行了定量的描述,对紊动强度、雷诺应力进行了较深入的分析计算。试验分析结果表明:①水流脉动具有大小不同的准周期。②水流瞬时流速概率分布近似符合正态分布。③各垂线纵向、垂向紊动强度自渠底向水面先减小后增大,横向紊动强度变化幅度较小。④纵向与横向雷诺切应力在y/h0.5范围内近似为直线,y/h0.5区域内近似为三角形分布。     

不同径高比动导叶旋流器的管流特性

浑水管道输水灌溉系统中,防泥沙淤积问题的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管。试验通过旋流器的作用产生螺旋流,以降低泥沙沉积的速度。通过试验分析了不同径高比导叶的旋流器在运动时产生的螺旋流旋流特性将圆管螺旋流看作是水泵产生外来压力的轴向Poiseuille流动和旋流器导叶强制导旋产生的周向Coutte流动,并将其流速分解为轴向流速,周向流速和径向流速。结果表明,测试断面的压力随着旋流器上导叶径高比的增加而增加;旋流器位于测试断面下游时的压力大于其位于测试断面上游时的压力;测试断面下游水流的轴向速度随导叶径高比的增加表现为先增大后减小的趋势。断面的轴向流速分布呈现类对数分布,在中心区域,即距管轴约小于2.5 cm的范围内,轴向流速较大,且相对比较均匀;在此范围以外受液体黏度影响,流速变化较快。其周向速度随导叶径高比的增加有先减小后增大的趋势,且在r_1rr_2(r_1距管轴约2 cm,r_2距管轴约3 cm)的主流区,周向速度具有强制涡的速度分布特征,该区域的速度值较大,水流旋转强度激烈。在rr_1,rr_2的准自由涡区,该区域速度值相对较小,尤其在管壁处,水流黏性的影响,速度最小。径向速度随导叶径高比的增加逐渐减小。同时,通过对涡量场的研究,得出了测试断面旋涡的大小和分布情况,进一步认识到流体运动的物理本质。     

起旋器内部的流速场和涡量场特性

为解决低压管道灌溉中存在的含沙水流淤堵管道的问题,采用了低压管道灌溉的螺旋流输水方式.起旋器是产生螺旋流的主要装置,通过理论分析与试验探索,在起旋器内部通道设置了4个测试断面,并对各测试断面内螺旋流的水力特性进行研究.结果表明：导叶对起旋器内部的流速场和涡量场都有重要影响.在不同半径的柱面上,导流片曲线段区域流速变化较大,且越靠近圆管边壁流速变化越强烈.在相同半径的柱面上,轴向流速变化最大,周向流速变化次之,径向流速变化最小.在导叶的进口产生涡旋,继而涡量不断增加并向无导流片区域扩散,形成了涡量密集区且在有导流片的区域,越靠近圆管边壁涡量变化越快.同时用罗斯比数与埃克曼数的大小来反映水流通过起旋器时水流旋转的强烈程度.起旋器内螺旋流涡量场中罗斯比数小于1,埃克曼数量级为10-6～10-5,表明水流通过起旋器时旋转较为强烈.     

渠系节点三维流场的试验研究

渠系节点三维流场的研究,对于河流、渠道等明渠水流流场的变化规律具有重大实际指导意义。通过vectrino plus小威龙三维流速仪在不同水位及流量条件下对渠系节点进行流速观测,研究节点附近水域三维流速沿水深的分布,分析各工况下口门区、明渠段及主河道上下游表层及底层节点的三维流场的分布规律。研究结果揭示了渠系节点处水流运动的非定常特性,口门区水流结构表现为横向环流、立轴环流和次生副流的叠加,流速分布与正常明渠流动存在差异。     

水电站引水渠道上的涡管排沙工程

当渠道中的水流切向冲入涡管时产生的螺旋会把落入涡管中的推移质泥沙颗粒卷扬起来，形成悬移质，而水流输送悬移质的能力远大于输送移质的能力。     

科氏惯性力对排沙漏斗流场影响的分析与模拟

曲线排沙设施,作为小尺度一般都略去科氏惯性力的影响.通过对排沙漏斗惯性力的分析,推导出科氏惯性力与弯道水体压差的关系式,阐述了科氏惯性力对形成径向横坡降、环流和强螺旋排沙涡流的作用和意义,以FLU-ENT6.3软件为计算平台,采用RNG k-ε模型和欧拉多相流模型对浑水在排沙漏斗内流动的气液固三相湍流场进行了数值模拟,给出了漏斗模型的水体压力和螺旋流速分布.分析、实测、模拟计算的结果有较好的一致性,本文的工作对设计曲线排沙设施有一定的指导意义.     

滩地植被化的顺直复式河道漫滩水流计算

利用二维数学模型对滩地植被化的复式河道漫滩水流的水深平均流速的分布进行了求解。通过恒定均匀流的假设,对主流方向上的沿水深积分的紊流时均运动微分方程式进行简化得到了相应的控制方程,其中引入植被对水流作用的拖曳力项,并考虑二次流的影响。同时将复式渠道划分为3个子区域,通过联立求解各区域微分方程中的定解系数,最终得到均匀流的条件下各区水深平均流速的横向分布的解析解。通过与试验测得的资料比较,表明计算结果与实测资料吻合良好。     

上游扰动条件下尾水管涡带演化和压力脉动研究

尾水管涡带是混流式水轮机流动不稳定的表征,严重时甚至会导致机组疲劳破坏。为准确捕捉不同工况下尾水管内流体流动的瞬态湍流特性,采用滑移网格技术以及SST k-ω湍流模型,通过现阶段最新进展的Liutex涡识别方法对尾水管涡带进行捕捉并对比分析,着重分析了不同来流对尾水管涡带的形成、发展、破裂和低频压力脉动的影响。结果表明：与文献实验结果的对比,验证了结果的准确性;上游不同来流条件下,尾水管涡带形态各异。最优工况时仅形成一个稳定的旋流结构,即纺锤形涡带,对流场影响较小。流量降低到设计流量的81%时,形成螺旋形涡带,涡带的偏心运动对主流产生了较大干扰作用,涡流、回流和流动分离等不稳定现象明显。由于涡带对主流的排挤作用,造成涡带与壁面之间出现明显的高速区,平均脉动压力系数幅值也比最优工况增加了1.36~4倍,压力脉动呈现出典型的低频、高幅特征;随着开度的继续降低,涡带体积大幅度增加,形成一个较大的空腔涡带,占据流域范围较广,与肘管壁面发生直接“冲击现象”;开度越小尾水管内产生的涡流越杂乱,流场越不稳定,当开度降至最低时,有形涡带消失,破碎后的杂涡充据着整个直锥段和弯肘段。     

上游扰动条件下尾水管涡带演化和压力脉动研究

尾水管涡带是混流式水轮机流动不稳定的表征,严重时甚至会导致机组疲劳破坏。为准确捕捉不同工况下尾水管内流体流动的瞬态湍流特性,采用滑移网格技术以及SST k-ω湍流模型,通过现阶段最新进展的Liutex涡识别方法对尾水管涡带进行捕捉并对比分析,着重分析了不同来流对尾水管涡带的形成、发展、破裂和低频压力脉动的影响。结果表明：与文献实验结果的对比,验证了结果的准确性;上游不同来流条件下,尾水管涡带形态各异。最优工况时仅形成一个稳定的旋流结构,即纺锤形涡带,对流场影响较小。流量降低到设计流量的81%时,形成螺旋形涡带,涡带的偏心运动对主流产生了较大干扰作用,涡流、回流和流动分离等不稳定现象明显。由于涡带对主流的排挤作用,造成涡带与壁面之间出现明显的高速区,平均脉动压力系数幅值也比最优工况增加了1.36～4倍,压力脉动呈现出典型的低频、高幅特征;随着开度的继续降低,涡带体积大幅度增加,形成一个较大的空腔涡带,占据流域范围较广,与肘管壁面发生直接“冲击现象”;开度越小尾水管内产生的涡流越杂乱,流场越不稳定,当开度降至最低时,有形涡带消失,破碎后的杂涡充据着整个直锥段和弯肘段。     

基于CFD的混流式水轮机尾水管导流隔板分析

含沙水水轮机尾水管在运行工况下多存在流态不稳定,以及偏心涡带,从而引起压力脉动和尾水管振动,同时由于转轮出口环量的不均匀,引起尾水管内水流的脱流和撞击,导致空蚀磨损现象,影响水轮机的安全运行。为此,本文通过商用CFD软件建立含沙水中水轮机尾水管内部多相流动的数学模型,对尾水管加设导流隔板与否进行对比分析,肯定了导流隔板的作用;同时对不同位置导流隔板进行探讨,分析了尾水管水流运动情况和压力脉动,结果表明尾水管直锥段加设导流隔板,在减轻压力脉动上是十分有效的。     

U形渠道水流流速垂向分布规律及模拟

为了明确U形渠道水流流速分布规律,指导田间用水管理生产实际,基于室内和田间实测资料,分析了U形渠道水流流速分布特点,将非对称封闭渠道流速分布结果引入明渠水流流速分布研究中,提出了垂向流速分布双幂律,同时给出了相关参数的确定方法,并采用实测资料对双幂律进行了验证.结果表明,U形渠道同一测线不同测点水流流速随着垂向位置的升高而逐渐增大,但在水面处有所减小,最大流速出现在水流表面以下.在此基础上建立的能够同时表达上下底面影响水流流速分布的双幂律,能够准确表达U形渠道水流流速分布特点;与常用流速分布规律相比,双幂律具有更高的计算精度.经实测资料验证,双幂律拟合流速垂向分布计算结果的相对误差较小,在相对深度处于0.10～0.95的计算区间内,双幂律计算相对误差小于5%,且对常见的不同断面、不同规模渠道具有普遍适用性.     

水电站排沙漏斗水沙运动规律

以燕子崖水电站为例,采用流体体积模型(VOF)方法耦合、雷诺应力模型(RSM)、离散控制方程、五阶Runge-Kutta变步长积分法模拟排沙漏斗水沙运动规律,并通过物理模型试验论证数学模型计算合理性.结果表明:排沙漏斗切向流速总体呈现中间小、两头大的特点,在排沙底孔位置产生空气漏斗,空气漏斗周围产生强迫涡流;径向流速随径向位置半径增大而先小后大,方向由内到外,在漏斗排沙底孔位置存在向内的、较大的径向流速;轴向速度值随径向位置半径增大作上下波动而波幅逐渐减小,轴向流速波动变化较为强烈并形成一个势涡;含沙量垂向分布为上小、下大分布,含泥沙量在近底部附近较高,底部附近形成较高含泥沙水流;在漏斗圆形边壁的约束下水体产生一个强迫涡流,强迫涡流具有高排沙能力,将漏斗排沙底孔附近的泥沙快速带入排沙底孔,通过与排沙底孔连接的排沙廊道排走泥沙.切向、轴向、径向流速以及含泥量的模型试验值与数学模型计算值相差较小.     

导流片对弧度弯管输水性能影响的数值模拟

迪恩涡流及螺旋流作为管路中常见的湍涡结构，虽然具有相似的传热传质等功能，但迪恩涡流易引发管路系统振荡，对有压输水管路系统安全产生巨大威胁。通过前人的物理模型试验建立了管径D=50 mm，曲率半径为2.8 D的弯管管路系统，并根据试验数据验证了数学模型。基于模型管段设计了27种导流片组合用以形成螺旋流，模拟了管内多尺度涡流结构，重点分析了涡流在弯管段及出口直管段的流速、压强和湍动能分布。模拟结果表明：涡流的湍动能及湍流强度对管路系统存在不同程度的影响，弯管管路系统的输水能力在湍动能较大、湍流强度较低的条件下相对较高；螺旋流强度对弯管的输水效率及管路系统的安全性影响显著，当管路进口流速V=1.5 m/s时，弯管管路系统在导流片（个数N=8个、高度H=15 mm、偏转角度θ*=60°）作用下，管路输水效率相对提升10.62%，管路事故风险概率相对降低24.41%。研究成果可为长距离螺旋流输送理论及有压管路系统优化提供技术指导。     

泄水锥加长与主轴中心孔补水对水轮机尾水管流态的影响

为了探究泄水锥加长与主轴中心孔补水对水轮机尾水管流态的影响,采用SST湍流模型对某混流式模型水轮机进行了全流道三维非定常模拟.对额定工况下原泄水锥、泄水锥加长这2种方案,以及对部分负荷工况下原泄水锥、泄水锥加长、泄水锥加长后补水这3种方案进行了计算.分析了不同方案下尾水管水流流线、尾水管各断面压力、尾水管涡带及流体的涡流黏度值的变化情况.结果表明:在额定工况下,泄水锥加长后对尾水管水流有稳流效果且水轮机效率略有提高;在部分负荷工况下,泄水锥加长后尾水管中心产生的涡带有变小的趋势,但涡带的偏心距稍有增加,而向尾水管补入2%额定流量的水流后,尾水管流态明显改善,直锥段水流的涡流黏度值降低,尾水管涡带的偏心距和涡带形态都有所减小,由偏心涡带引起的低频压力脉动幅值也有明显降低.     

壅水条件下弯道流速分布规律研究

为研究壅水条件下弯道流速分布规律,对90°弯曲河道开展了不同壅水程度的概化水槽试验。通过ADV对弯道试验段的三维流速进行精细测量并分析后发现:不同壅水程度试验组次的水流动力轴线在弯顶断面以前基本一致,过了弯顶断面,随着壅水程度增大,水流动力轴线向凹岸偏移的位置越靠近下游;对于同一断面,随着壅水程度增大,水深逐渐增大,时均流速逐渐减小,纵向流速和横向流速分布也越来越均匀。