土坝溃决跌坎水流水动力特性数值模拟

黏性土坝漫顶溃决涉及多学科交叉,过程极其复杂,尽管国内外大量物理模型试验成果表明其溃决多以“跌坎式”溯源冲蚀为主要特征,然而对该冲蚀发展形式下的水流-坝体微观作用机制尚不清晰。水流作为漫顶溃决的冲刷主动力,对坝体溃决发展起着主导性作用,采用RNG k-ε紊流模型和VOF自由液面捕捉技术针对黏性土坝漫顶溃决代表性水流结构——溃决跌坎水流开展了三维数值模拟研究,对跌坎水流的水流结构、流态、水力特性指标等进行了细致分析,揭示了不同工况下坝体跌坎上的剪切应力、流速分布规律,进而从水动力学的角度对坝面进行受力分析,初步推断了黏性土坝漫顶溃决过程中各级跌坎的主要合并方式为“台阶水平面刷深下切”。研究成果为进一步掌握黏性土坝漫顶溃决发展演变机理提供了理论基础。     

二维坡面雨洪水动力模型研究

由降雨产生的坡面洪水运动过程复杂,其可靠模拟仍有待深入。该文建立了基于浅水方程的二维坡面雨洪动力过程模拟的动力波模型,选用单坡、三阶坡面和复杂起伏多变坡面的雨洪运动为数值算例,进行了数值检验并与忽略惯性项的扩散波模型进行了对比分析。结果表明:动力波模型可以较好地模拟洪水过程,在峰现时间,洪峰水位的捕捉和退水过程等方面都表现出优良的特性;而且动力波模型在复杂坡面雨洪过程计算的适应性方面表现更佳。而扩散波模型在计算精度和稳定性方面都相对要差。虽然扩散波模型在单坡面算例中的计算精度也较高,但因受忽略惯性项的影响,退水过程有明显偏离。     

引汉济渭椒溪河隧洞施工通风数值模拟研究

引汉济渭工程是陕西省为缓解关中渭河沿线城市和工业缺水问题,而提出的由汉江调水到渭河流域的大型水利工程。椒溪河段工程为穿河段,地形地质相对复杂,隧洞施工期的通风问题也相对比较严重。采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法对带有支洞隧洞的通风过程进行模拟,研究几种典型工况下隧洞内的流场和浓度场在施工期时随时间的变化规律,分析掌子面以及支洞内涡流对气流及有害气体分布的影响。在气流排散通道不顺畅时,掌子面附近的涡流区域内涡流的大小和位置呈现周期性的变化,并随通风时间的增加影响范围逐渐降低。隧道爆破产生的有害气体和烟尘会随着气流的流动发生移动和扩散过程,并逐渐排向洞外。通过对隧洞主洞与支洞内气流和有害气体排散过程的研究,得出隧洞爆破后在通风作用下隧洞的掌子面附近和支洞与主洞的交叉位置处形成涡流区,涡流的产生和变化不断的消耗通风的机械能,降低通风效率,对有害气体的排散造成一定的阻滞作用,隧洞内有害气体的排散过程包括移动和扩散两方面,移动过程将CO排向洞外,扩散过程不断的降低洞内CO峰值,总结出了不同工况下隧洞内达到安全浓度的时间,对隧洞施工进度给出一定的参考意见。     

落水洞对裂隙-管道介质泉流量衰减过程影响的试验研究

岩溶裂隙-管道是我国西南地区的主要地下储水空间和导水通道,落水洞是岩溶地区临时性吸收地表水流的重要过水通道,在西南地区分布密集。开展落水洞大小对裂隙-管道介质中泉流量过程影响的研究,对指导岩溶水可持续开发利用和推动岩溶水研究具有深刻意义。文章研究了落水洞对泉流量衰减过程的影响,利用自制的裂隙-管道物理模型,模拟落水洞不同断面尺寸、填充程度下的泉流量衰减过程,由衰减曲线探求衰减系数受不同因子的敏感程度。试验表明:泉流量衰减过程可分为三个亚动态,大致符合指数型衰减。其中,第一亚动态的衰减系数受落水洞断面尺寸影响较大,落水洞断面尺寸越小,衰减系数越大;落水洞的填充程度越高,衰减系数越大。     

消能锥形阀过流状态研究与优化

消能锥形阀是一种用于中、高水头下的消能控流阀门,其内部结构设计的好坏直接影响着控流效果。为探究消能锥形阀在不同开度下,过流流量及内部流场的变化情况。进行了模型试验与CFD数值模拟计算,试验中发现开度从100%关至85%时出现了流量反而上升、进口压力下降的情况。利用CFD数值模拟的方法对内部流场进行了可视化研究。研究结果表明,在全开状态下锥形阀内部存在以下问题:过强的局部高速高压区域、低速流动死区范围过大、涡流区过度影响高速过流部分。并对锥形阀进行了一定的结构改进,优化了其内部流场情况。     

快速闸门断流的轴流泵起动过程三维数值模拟

针对轴流泵机组起动过程的研究是泵站安全稳定运行研究的重要环节。为了准确捕捉轴流泵机组在起动过渡过程中的动态特性,建立轴流泵机组的全流道三维模型,采用三维CFD计算软件Fluent,利用基于有限体积法的动网格技术,配合VOF多相流模型对快速闸门断流的轴流泵机组起动过程进行了三维瞬态数值模拟,获得了轴流泵机组起动过渡过程中的流态变化及外特性参数的变化规律。闸门开启时间为60s时,机组起动扬程在12s时达到最大值2.76m,为运行扬程的1.28倍。减小快速闸门开启时间能够降低机组最大起动扬程,但同时会加剧回流及闸门处的水流撞击。计算结果表明:动网格技术结合VOF多相流模型可以较好的应用于快速闸门断流的轴流泵机组起动过渡过程数值模拟中,其结果可为泵站水力设计及轴流泵机组的过渡过程研究提供参考。     

基于淮河中游鱼类不同等级生境保护目标的生态需水

随着社会经济发展,生产生活用水长期挤占生态环境用水,造成河道断流、生境破坏、生态系统恶化等一系列生态环境问题。针对淮河流域目前的水生态环境问题,以淮河中游鱼类为研究对象,通过分析河段天然流量过程,以淮河流域生态恢复为目标,建立鱼类保护目标概念模型,采用IHA及EFC指标体系分析天然流量变化特性,并用HEC-RAS模型基于鱼类生态水力需求确定流量值大小,得出符合天然流量动态变化且满足不同等级生境目标需求的生态需水推荐结果,可为淮河流域水资源优化配置提供依据。     

基于MIKE FLOOD的洪泽湖周边滞洪区洪水演进模拟研究

基于实测断面资料建立了研究区的一维水动力模型,基于高精度DEM以及1∶10000地形图建立了研究区的二维水动力模型,并用MIKE FLOOD将一维模型和二维模型进行耦合,构建了洪泽湖周边滞洪区一、二维耦合的洪水演进数学模型。利用2003年历史洪水资料对模型参数进行了率定,并以2007年历史洪水资料进行了验证。以洪泽湖百年一遇设计洪水为模型上边界,二河闸、三河闸以及高良涧闸的现行调度方案的水位-流量关系为模型下边界,对洪泽湖百年一遇设计洪水方案进行模拟计算,当蒋坝水位达到14.33m时,洪泽湖周边滞洪区开始滞洪,得到开始滞洪后不同时段研究区内各类洪水风险要素的动态分布情况以及最大淹没水深、淹没历时,验证了模型的合理性,可用于蓄滞洪区洪水演算分析。     

植被排列方式及坡度对坡面流Fr影响的试验研究

为探究植被的排列方式及坡度大小对坡面流弗劳德数Fr的影响,以期揭示坡面流弗劳德数Fr的内在规律。利用人工模拟试验,系统研究了6个坡度、3种植物排列方向与水流方向呈不同走向角的条件下Fr与单位底面积的空间摩阻表面积K值的特征关系。表明在非淹没状态下,Fr与K值的关系为随K值的增大Fr呈现先减小后趋于平稳的趋势;Fr的取值随坡度的增大而增大;在一定的坡度范围内,同一坡度下,当Fr1时,同一K值下,走向角越大对应的Fr值越小,当Fr1时则相反;同一走向角下,在同一K值下,坡度越大对应的Fr就越大。得出在坡度一定的条件下,坡面植被的排列方式不同,弗劳德数Fr的取值也不相同;坡度是影响Fr取值范围的重要因素之一。     

抗震冷却塔金属淋水填料研究

冷却塔的冷却效果主要由淋水填料的冷却数和冷却塔的有效高度决定,淋水填料的换热性能决定了冷却塔的主要换热效果。为提高抗震冷却塔的抗震效果,淋水填料采用金属填料。通过在某工程中抗震冷却塔金属填料与普通塑料填料应用的对比分析,研究金属填料的特点及适用性,为抗震冷却塔的设计提供依据。