低水头大流量倒虹吸进口掺气及通气孔设置问题研究

通过南水北调中线工程淇河渠道倒虹吸模型试验，对低水头大流量倒虹吸进口掺气及通气孔设置问题进行了研究，结果表明：无论控制闸宜设在上游或下游，不存在进口水跃问题，上游设闸控制虽有掺气问题，但是量小无害，因此，低水头大流量倒虹吸管进口不需要设置通气孔。该项研究成果可以在南水北调中线工程和平原地区倒虹吸管设计与运用中推广应用。     

突扩消能在高水头倒虹吸管中的应

高水头倒虹吸管是山区常见的输水建筑物，其管径大小通常由设计流量确定。在实际运行管理过程中，经常会碰到小于设计流量的工况，为避免倒虹吸管进口出现非淹没流态，应在管路合适位置设置闸门进行流量控制。本文通过试验研究，将突扩式消能运用于勐糯倒虹吸管，成功解决了小流量情况下的闸后消能，保证了工程的安全运行。     

大型渠道倒虹吸设计探讨

针对大型渠道倒虹吸流量大、水头紧等特点，根据实际情况分别对进出水口渐变段进行了优化设计，以减少其水头损失。同时对进水口前池、底部高程、闸墩、胸墙、控制水闸的布置以及管身形式提出了合理的设计意见     

南水北调倒虹弯管局部阻力设计方法研究

首先论述了倒虹弯管局部阻力产生的机理 ,其次对弯管局部阻力进行了深入系统的分析和试验研究 ,最后得出如下结论 :对于缓弯管 ,以 R/ D=2为宜 ;在弯转角不大时折弯局部水头损失并不比缓弯大 ,并通过模型试验对这一结论进行了验证。结论对南水北调中线工程和平原地区的低水头大流量倒虹工程弯管设计具有重要的应用价值。     

南水北调倒虹弯管局部阻力设计方法研究

首先论述了倒虹弯管局部阻力产生的机理，其次对弯管局部阻力进行了深入系统的分析和试验研究，最后得出如何结论：对于缓弯管，以Ｒ／Ｄ＝２为宜；在弯转角不大时折弯局部水头损失并不比缓弯大，并通过模型试验对这一结论进行了验证。结论对南水北调中线工程和平原地区的低水头大流量倒虹工程弯道设计具有重要的应用价值。     

南水北调跨安阳河倒虹吸工程对河道的影响

南水北调中线工程总干渠沿程需修建多座跨河建筑物,这些建筑物穿越河道时,会造成河道河势变化,可能带来不利的影响。通过物理模型、数学模型等技术手段,分析研究工程对河势的影响是十分必要的,针对南水北调中线跨安阳河倒虹吸工程,研究了工程实施后对安阳河河势、冲淤变化等方面带来的影响,提出倒虹吸工程的优化设计方案。     

倒虹吸进口处的水雍水迭及进口管内水跃处理

分析了在通过比设计流量大和小的流量时倒虹吸进口分别发生水壅和水跌的原理,推出了最大流量和最小流量时水壅水跌的大小。对最小流量情况下进口水面跌落在管内形成的水跃对管道的影响及为消除水跃而采取的工程处理措施进行了定性和定量的论述。对倒虹吸进出口设计具有普遍的指导作用。     

倒虹吸进口处的水壅水跌及进口管内水跃处理

分析了在通过比设计流量大和小的流量时倒虹吸进口分别发生水壅和水跌的原理，推出了最大流量和最小流量时水壅水跌的大小。对最小流量情况下进口水面跌落在管内形成的水跃对管道的影响及为消除水跃而采取的工程处理措施进行了定性和定量的论述。对倒虹吸进出口设计具有普遍的指导作用。     

修山水闸消能防冲试验研究

修山水利枢纽座落于平原地区,具有典型的低水头、大流量的特点。其闸下河床抗冲能力较低,闸下消能防冲是工程重点解决的问题。该水闸根据下游地质情况分设消力池段和护坦段,将通过水工模型试验修正两种闸段布置数目并根据来流量拟定水闸调度运行方案,通过闸门的调度控制,减小下泄单宽流量以较好的解决闸下消能防冲问题。     

泵站虹吸式出水管虹吸形成过程气液两相流数值模拟

为分析虹吸式出水管虹吸形成过程中气液两相流动,基于各向同性假设,采用欧拉多相流模型与RNG k-ε湍流模型对一泵站虹吸式出水管虹吸过程中的气液两相流进行了数值模拟。结果表明:虹吸过程中,在虹吸管驼峰段和下降段易产生上、下气囊,对虹吸作用的完成有不利影响。来流流量是影响虹吸形成时间的主要因素,水力驱气阶段和水力挟气阶段可分别用不同的幂函数来表达时间与流量的关系。     

含有窝气的虹吸整流输水管道水力损失计算与试验研究

为了研究输水管道窝气对管路水力损失的影响,对1套包含小坡度长下坡段的管路系统分别在自然重力进流、低虹吸进流、高虹吸进流(虹吸进口装有整流装置)条件下进行管道满流与带气试验测量.创新建立窝气阻力系数β定量表示窝气阻力造成的水力损失增加,提出了整个管路窝气阻力系数的计算公式.基于试验数据分析了不同进流方式在带气与不带气条件下的管路阻力特性,并验证了窝气形成气阻机理的存在.研究结果表明:输水管道窝气会减小管道有效过流面积,造成管路水力损失显著增加,且管道的高低起伏越多,管路中弯头、变径管件数量越多,管道窝气阻力系数β越大;虹吸式进流在整流装置的作用下,较自然重力式进流会降低管道摩擦系数,并且高虹吸下的水力摩擦系数最小;通过合理设计,虹吸整流装置的多孔结构可以根据管道流量的大小不断自动调节其自身的阻力和开度,有效控制管道入口进气.     

基于VOF模型的倒虹吸进出口流场数值模拟

通过采用标准k~ε模型模拟湍流,利用VOF法追踪自由水面,对新疆北部小洼槽倒虹吸在不同流量下进行三维流场数值模拟,并将Q=14.00m3/s和Q=16.35 m3/s两种情况的倒虹吸进出口水面高程与原型观测数据进行对比,结果表明数值模拟结果和实测资料基本吻合。倒虹吸进口处有立轴漩涡,为了避免出现这种情况,应尽量在高水位情况下运行,可以减小进口处的水流流速,降低水流的紊动动能。     

Automatic regulator for channel flow control on flooded rice

The low efficiency water control provided by sluice gates and weirs used in the flooded rice tillage system in Rio Grande do Sul, Brazil, have caused significant water losses. Such devices are utilized to control the water flow from the main to the secondary channels. The water flow through the gates is highly influenced by the water depth fluctuation in the main channel. The purpose of this work was to construct and evaluate a flow regulator to reduce flow variations in the secondary channels, resulting from water level fluctuation in the main channels. The prototype operates with a float that prevents the water head variation over the water passage orifices. The regulator flow control was compared to the sluice gate flow control. Both structures were installed at a lateral inlet, and the depth of water in the main channel ranged from 70 to 90 cm. The flows from the regulator and sluice gate were measured with “H” flumes. To relate the flow provided by the regulator to the water head over the water passage orifices, the regulator was submitted to six different water heads, ranging from 5 to 30 cm. The comparison between the structures showed that both presented variation in the controlled flow. However, the flow control provided by the automatic flow regulator was more effective than that provided by the sluice gate. The controlled flow variation was 5.5% for the automatic flow regulator, and 23.7% for the sluice gate. Regulator flow analysis for the different water heads showed that it can operate with flows ranging from 24 to 49 L s⁻¹. Comparing the sluice gate to the automatic flow regulator, the latter is a more efficient flow control device, reducing the waste of water.     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.     

基于环对称掺气的液体射流泵试验研究

为改善液体射流泵性能,提出了在喉管处环对称掺气的方法.通过射流泵水力试验,研究了不同掺气条件下各流量比工况的基本性能及空化特征.试验表明:喉管适量掺气后,未达到极限流量比工况时压力比总体略有提升,效率变化率增值为0.3%~4.9%,接近极限流量比时增效最为明显;极限工况时掺气可以改善空化性能,实测喉管及扩散管的压力脉动明显减弱,且射流泵极限流量比有所增加、正常工作范围变大;较优的掺气率(空气与混合液的体积流量比)约为2%~3%.研究表明:与水相比,空气的黏度系数很小,少量空气被液体携带着贴管壁流动,可降低近壁面水流阻力、减小沿程水头损失,有利于提高射流泵传能效率.在极限工况时空气自然吸入可提升喉管内压力,减免射流泵空化、改善运行性能.环对称掺气的研究成果,可为液体射流泵的性能优化提供参考依据.     

平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响

为研究平衡孔直径对离心泵叶轮进口流态的影响,在降速后的IS80-50-315型离心泵上,用平衡孔直径d分别为0,4,6,8,10 mm的同一个叶轮,对离心泵的扬程、效率和轴功率进行预测,研究泵在设计工况、不同平衡孔直径时叶轮进口处速度矢量和压力的分布情况,并监测叶轮进口处的压力脉动特性.结果表明:加大叶轮平衡孔直径,泵的扬程与效率下降、轴功率提高,且在小流量工况下泵扬程变化更为明显;随着平衡孔直径的增大,平衡孔内液体流速减小,对叶轮进口流体的冲击作用逐渐减弱,叶轮进口处压力变得均匀,在一定程度上改善了泵的抗汽蚀性能;随着平衡孔直径的增大,叶轮进口主流区的压力脉动幅值减小,在一定程度上稳定了压力脉动幅值的变化,改善了其不稳定特性;平衡孔直径增大时,叶轮进口区平均静压变化逐渐稳定.研究成果为离心泵叶轮平衡孔直径的选择提供了参考.     

六郎洞电站溢流式调压井型式比选研究

六郎洞电站是低水头长距离引水隧洞的水电站,通过有闸门简单溢流式、带阻抗孔的溢流式、带下室的溢流式三种型式的调压井比选研究,结果表明：闸门井兼作阻抗孔,当闸门井面积为压力引水道断面积的25%～45%时,选取带阻抗孔溢流式调压井。此型式的调压井结合了溢流式和阻抗孔式调压井的优点,限制了调压井水位波动的最高涌浪,水位波动振幅小,投资最少,优先选用带阻抗孔的溢流式调压井。当闸门井面积大于压力引水道面积的50%时,对抑制波动幅度与加速波动衰减的效果则不显著。     

竖井对低扬程贯流泵装置性能影响的数值模拟

为研究竖井贯流泵中竖井部分对贯流泵装置的水力性能的影响,采用计算流体动力学方法对包含进出水延长段、进出水流道、叶轮和导叶在内的整体泵装置进行数值模拟,分析竖井长度、竖井头部型线以及竖井尾部型线对进水流道水力损失、出口断面轴向速度分布均匀度、出口断面速度加权平均角以及泵装置能量特性的影响.结果表明:竖井长度、竖井头部和尾部型线对进水流道水力损失和出口断面速度加权平均角有影响,但是对进水流道出口断面轴向速度分布均匀度几乎没有影响;竖井尾部型线对流道水力损失影响最为显著,在设计流量工况下,竖井头部和尾部皆为锥形型式的进水流道水力损失较头部和尾部皆为圆弧形型式的进水流道的水力损失小24%;竖井头部型线和尾部型线采用锥形型式的进水流道水力性能更优,但是在选择锥形型线时候应注意不要延长竖井尾部长度.采用模型试验对数值模拟结果进行了验证,两者结果吻合较好,表明该数值模拟方法是可靠的.     

双向钢闸门反向挡水启门力CFD分析与减载对策

为解决工程中发生垂直提升式双向挡水钢闸门反向挡水时,启门力过大,常规选用的启闭机启门力不足等问题,以江苏省某闸站的节制闸为研究对象,对反向挡水启门过程中的闸门进行受力分析,采用CFD方法计算闸门不同开高时的过流流场和水流对闸门的作用力,计算启门力,并实测验证,分析启门力影响因素和增大的原因,提出采用增大横梁排水孔面积的方法减小启门力,采用Ansys Workbench对排水孔加大后的闸门横梁强度进行校核.结果表明:启门过程中,下泄水流冲击闸门底部主梁上表面,造成上下表面压力差,是启门力增加的主要原因;增大排水孔面积,启门力呈线性规律下降,同时,由于水流对闸门水平作用力减小,主梁最大应力减小,强度能够保证.当排水孔面积增大到原面积8倍时,启门力下降7.6%~11.9%,效果显著.成果对于改进双向挡水闸门设计、减小启门力、保障启门安全具有重要意义.