石梁河水库消力池强紊动水流的数值模拟

采用半隐式的控制体积法离散紊流控制方程,考虑曲率修正的双方程紊流模型封闭雷诺应力,引入通度和体积函数的概念,数值模拟了石梁河水库工程改建后两级消力池的泄流过程.计算结果给出了自由表面的演变过程及其相互碰撞、重叠的消力池水流特征,断面流速、压力分布及自由水面位置与物理模型试验结果吻合良好.     

温度和盐度分层流的数值模拟

以N-S方程和k-ε湍流模型为基础,针对水温和盐度分层流的流动特性,考虑了浮力对紊动的影响,建立了温度和盐度分层流的k-ε模型,对同时存在温度和盐度梯度的一类密度分层流进行了数值模拟计算,其中紊动平均量控制方程中的紊动项是由k-ε紊流模型计算,给出了速度、温度和盐度的分布。计算结果正确地反映了分层及紊动特征,与实测结果吻合较好。     

明渠交汇水流阻力对平面二维数值模拟的影响

与顺直明渠水流相比,明渠交汇水流由于存在分离区和自由剪切面,其紊动特性引起的阻力较为复杂,交汇水流除床面阻力外还受到较强的阻力。基于数值模拟与实验比较分析表明,分离流与自由剪切流所产生的阻力(紊动粘性阻力)对于交汇水流数值模拟具有重要影响。同时,由于平面二维模型对二次流影响的忽略,断面环流较强时数值模拟会产生较大的阻力(环流阻力),而断面环流较弱时,交汇水流的三维特性相对较弱,采用平面二维模型和k-ε紊流模型能达到较好的模拟效果。因此,紊动及环流阻力的计算对交汇水流数值模拟的精度至关重要。     

淹没植物明渠床面冲淤及其对水流运动的影响

植物的存在改变了河流水动力特性,造成独特的床面冲淤态势。利用实验室水槽模拟含淹没植物的河道,对床面形态和紊流统计特性参数进行测量,研究不同类型紊流作用下的床面冲淤特征以及床面起伏对流动的影响。结果表明:床面剪切紊流条件下,床面形态为马蹄坑-沙沟/沙脊与沙波复合分布,床面变形加剧了流速沿水深不均匀分布并促进水流动量交换;在自由剪切混合层紊流条件下,床面形态为植物根部马蹄形冲坑及其后方沙沟、沙脊交错分布,床面变形对流动的影响并不显著;“类二重紊流”条件下,床面形态同样表现为马蹄坑-沙沟/沙脊-沙波复合,床面变形促进植物层内部的水流动量交换、抑制紊动清扫,抑制植物层外部的动量交换、促进紊动喷射。     

流动环境中圆孔水平热射流三维数值模拟

根据计算流体动力学理论,采用Realizable k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,考虑浮力作用,利用有限体积法来离散求解流动环境中圆孔水平热射流的流动与传热控制方程,对流动环境中圆孔水平热射流进行了三维数值模拟,比较了不同流速比和不同射流出口温度条件下的流动特性和温度分布特性,得到了热射流轨迹的速度和温度衰减规律,分析了流速比和射流出口温度对热射流轨迹温度分布的影响。     

对MPS法在溃坝模拟中数值压力振荡问题的改进

为探索模拟大变形自由面流体运动的高精度数值计算方法,以溃坝水流运动为例,基于MPS法(Moving Particle Semi-implicit method,移动粒子半隐式法)建立了一个垂向二维改良MPS法数值计算模型。首先,为了改善传统MPS法中存在的自由表面粒子误判以及数值能量耗散问题,提出新的自由表面粒子识别方法和高精度的压力梯度模型。在此基础上,以Lobovsky'等的溃坝物理模型实验为例,探讨不同形式压力泊松方程源项对溃坝冲击压计算精度的影响,提出一个新的源项形式。数值结果分析表明,新自由表面粒子识别方法和高精度压力梯度模型可以有效地减少自由面粒子的误判概率,抑制水流运动计算中的数值能量耗散。而压力计算结果与实验结果的对比表明,所提出的压力泊松方程源项可以有效地减少数值压力震荡的幅度。     

含闸墩溢流坝三维过坝水流数值模拟

利用有限体积方法对含闸墩溢流坝过坝水流三维流场进行数值模拟,采用κ-ε两方程模型模拟湍流,利用流体体积(VOF)法确定自由水面线,分别对两种墩型过坝水流进行计算,给出了3种水头下的水面线及坝面压力,通过与实验结果的比较表明,建立的模型能够准确地模拟带闸墩溢流坝三维流场,从而为溢流坝的水力设计提供可靠的设计依据。     

淹没刚性植被明渠紊流沿程流动特性差异

淹没刚性植被通过改变水流结构,造成时均流速、紊动强度、雷诺应力等水力参数垂线分布不均匀和沿程差异化。采用声学多普勒测速仪(ADV)测量3种淹没度(3.0、4.0、5.0)下的流速,结合统计学方法,系统分析植被段内及其上、下游过渡段流速和紊动特性差异。结果表明：植被显著增强了水流紊动,且紊动特性取值与淹没度正相关;植被段内流速差异在低淹没度下的植被层内和高淹没度下的自由流动层内更加显著,而紊动特性沿程增强,且垂线分布具有相似性,最大值点位于冠层顶部附近;当淹没度满足KH涡的形成和发展条件时,随淹没度的增大,植被段内紊动特性垂线分布出现转折点(临近此点梯度急剧减小并趋于0)的断面数量增多,经验证,在充分发展的紊流区此点可作为KH涡的上边界点。     

葛洲坝下游中华鲟产卵河段的流场计算与分析

由于葛洲坝工程的修建,中华鲟的洄游路线被阻断了,使中华鲟产卵场由过去的屏山至木洞800 km江段压缩至现在的葛洲坝下游不足5 km江段。中华鲟也由水产资源演变成一级保护动物。运用水动力学的N-S方程和k-ε紊流数值模型,结合计算水气两相流的方法VOF(volume of fluid),采用控制体积法离散计算区域,对葛洲坝下游中华鲟产卵河段的流场进行了计算。并结合中华鲟的生态特性,分析其产卵繁殖对流场特性的要求,以期在三峡水库下游河道整治中注意保护其产卵场地。     

基于多松弛格子玻尔兹曼的弯道水流三维数值模拟

为研究弯道水流现象并且拓展格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann Method,LBM)在水利工程领域的应用,建立了弯道水流的三维多松弛LBM演进模型,其中包括水流自由表面模拟、弯曲固壁边界处理以及紊流模型耦合求解等关键技术。应用该模型模拟研究了不同流量下U型弯道的水流状态,得到了水位、最大水深平均流速以及紊动能等参数的分布规律。分析和实践表明,该模型能较好地模拟三维弯道水流现象。     

高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数值模拟分析

高坝明流泄洪洞的掺气减蚀问题倍受关注。以溪洛渡水电站3#泄洪洞为研究对象,结合大比尺单体模型试验成果,应用分段计算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值模拟分析。结果表明:泄洪洞各道掺气坎布置合理且有稳定掺气空腔,掺气坎体型基本合理,明流段洞顶余幅足够。泄洪洞反弧段及末端一段区域水力特性复杂,应重点关注此部位的设计及施工问题。对于高流速、大梯度泄洪洞水力学问题,采用分段计算能提高计算速度。     

正交曲线坐标系二维浅水方程ELADI有限差分方法

N-S方程数值模拟的精度和效率一直是计算流体力学的重要研究课题.结合欧拉-拉格朗日方法(ELM)和交替方向隐式方法( ADI)建立正交曲线坐标系二维浅水方程的ELADI (Eulerian-Lagrangian alternating direction implicit method)有限差分方法,详细阐述了基本原理...     

曲线坐标系下的完全匹配层吸收边界条件

在地震波数值模拟中,需要采用吸收边界条件以吸收人为边界反射。本文针对曲线坐标系下的二阶弹性波方程提出了一种完全匹配层(PML)吸收边界条件。与直角坐标系下的PML吸收边界条件类似,曲线坐标系下的PML吸收边界条件是一种在频率域中给出的人工边界条件,由相应的复坐标变换得到。在变换到时间域后,完全匹配层中将出现复杂的卷积运算。为了避免这些卷积运算,引入了4个中间变量。为了简化自由边界条件,采用正交贴体网格对起伏地表模型进行网格剖分。数值算例表明,该方法可以有效消除人为边界反射。     

混流式转轮中流场的大涡模拟

建立了基于微可压缩流体理论的相对运动的大涡模拟方法,并对混流式转轮流场进行了三维非恒定粘性数值模拟,计算方法采用了有限体积法和预测-校正方法,对固体边壁的处理使用了“壁函数”法。得到了混流式转轮的三维速度场和压力分布,与k-ε模型计算结果进行比较表明,所建立的相对运动的大涡模拟方法对转轮性能预测更加精确、合理,对转轮改型设计具有十分重要的参考价值。     

一种基于单元局部坐标系求解二维孔隙渗流问题的数值方法

将数值计算区域用三角形单元进行离散,并为每个单元构建局部坐标系。局部坐标系的X轴为三角形单元某一条边的方向,局部坐标系的原点为该边的其中一个端点。在局部坐标系下,基于“格林公式”及达西定律推导了单元压力梯度及单元流速的解析表达式,给出了流经单元各棱及各节点的流量计算方法。形成了类似固体弹簧系统的渗流管道网络,建立了管道压差与流量的函数关系。将各单元局部坐标系下求得的流速及流量转换至整体坐标系,并在节点上进行凝聚。通过引入流体体积模量实现了节点渗透压力的显式求解,通过引入节点饱和度实现了非饱和问题的求解。基于局部坐标系的方法具有物理意义明确、求解过程简单等特点。通过在局部坐标系下构建管道压差与管道流量的对应关系,将有限元的渗透刚度矩阵简化为两个管道的渗透刚度值,从而节省了内存,提高了计算效率。4个数值算例的计算结果与理论解基本一致,表明了该方法在求解稳态、非稳态、饱和、非饱和渗流问题时的精度。     

潮汐环境中垂向湍射流流场的数值模拟

选用κ-ε双方程湍流模式,对自由面做“动”刚盖假设,建立潮汐流场中垂向射流流场的数学模型.根据潮流往复回荡的特性,采用“跟踪扫描”对离散方程逐行求解,保证和加快了解的收敛。计算了五种回荡周期中射流流场的变化过程,预报回流区高度与实测值吻合。分析了潮汐非恒定性的影响,获得了一些有益结论。     

浅水型河道中扩散器垂向排放的三维数值模拟

采用作者给出的三维紊流模型,结合混合有限分析法及交错网格对浅水型河道中扩散器垂向排放的流动进行了数值计算。重点对该类流动的两个流动特征进行了分析:一是水面的隆起高度,二是在横流情况下的流动转变条件。进而给出了这类排放水面的最小稀释度。这些特征的探讨对废水排入江河的水力设计有重要的参考意义。     

基于RNG湍流模型的双向泵站出水流道流动计算

低扬程双向流道泵站是我国独创的泵站型式,为深入了解其流道内流场特性,首次运用基于壁面律的RNG κ-ε的湍流模型对流道进行数值模拟。计算采用交错网格的有限体积法求解三维不可压Navier Stokes方程。提出优化出水流道的目标函数,并依据数值模拟结果,预测出水流道水力损失。根据经验公式计算的水力损失和预测的出水流道水力损失两者较为接近,表明通过采用基于壁面律的RNG湍流模型能较好地预测出水流道的水力性能。考虑壁面律的RNG湍流模型在泵站流道内特性数值模拟和外特性预测研究方面有较好的推广价值。     

Numerical investigation of hydraulic characteristics and prediction of cavitation number in Shahid Madani Dam's Spillway

The prediction of the probability of cavitation occurrence to prevent serious damages in the spillways is the major concern for hydraulic engineers. In this research, the three-dimensional model of Shahid Madani Dam’s spillway was simulated with the Flow 3D software and by the comparison of numerical model results with the experi-mental data, the probability of occurrence of the cavitation phenomenon has been investigated. The flow parameters including pressure, velocity, and water depth were calculated for three different flow rates of 495 m3/s, 705 m3/s and 2 205 m3/s respectively. The Renormalization Group (RNG) turbulence model was used to simulate current turbulence. Comparison of simulation results for pressure, velocity and water depth with the results of the experimental model with two statistical indices Root Mean Square Error (RMSE) and Coefficient of Determination (R2) showed that the numerical simulation results are in good consistency with experimental model. However, simulation results indicated that at any flow rates with a return period of 1 000 years, probable maximum flood and designed flow rates, the cavitation number is not lower than the critical cavitation number; Therefore, it is predicted that the cavitation phenomenon in Shahid Madani Dam’s spillway will not happen.