多股水平淹没射流水力特性的影响因素研究

采用数值模拟和模型试验相结合的方法,分析了水股分层、坎高、出口体型和跌坎形式等因素对多股水平淹没射流的流态稳定性和水力特性的影响。研究表明,多股多层水平淹没射流较单层多股水平淹没射流流态稳定性好、临底流速低、消能率高,是一种高效的新型消能方式。结合试验结果,提出中孔泄槽以等宽或微收缩为宜、表中孔最优坎高差应大于中孔水流的主流水深、跌坎形式的选择应结合具体工程特点等建议。     

一种钻孔水力采煤系统的研究

钻孔水力采煤是指从地表钻孔至煤层借助送至孔底的水射流切割破碎煤层,使之变成具有流动性的煤水混合物。通过水力或气举提升的方法提升到地表并在地表进行煤、水分离的一种采煤方法。文中提出了一种钻孔水力采煤系统的原理、构成及其施工工艺。通过理论分析和试验研究,对该钻孔水力采煤系统的射流泵水力提升、气举提升和水射流破碎的三个关键技术,进行讨论和分析,得出一些有用的结论:(1)为提高采矿效率和单井采煤量并降低能耗,必须将钻孔水力采煤系统的三个关键技术有机地结合起来进行设计。射流泵的设计应该满足煤颗粒最低悬浮速度、无量纲参数的最优化以及防止汽蚀的要求;(2)在射流泵喷嘴形式的选择中,可以根据吸入颗粒的大小来选择中心喷嘴或环形喷嘴射流泵;(3)气举的提升和背压作用可以提高射流泵的提升能力并降低能耗。气举提升单独作为一种开采扬矿工艺具有很大的局限性,但其与射流泵结合后就能很大程度地提高射流泵的提升能力;(4)气举提升与水射流破碎相结合能充分提高水射流的破碎半径和破煤能力。影响水射流效果的主要因素是射流的淹没状态、射流压力和流量,钻孔水力采煤破碎水枪的理想射流是非淹没自由射流,通过气举作用可以在开采峒室内创建非淹没自由射流。     

基于计算流体动力学的不同流量比两股射流水垫塘的消能特性研究

为研究不同流量比的两股射流入射水垫塘后的消能特性,选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNG k-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘进行了数值模拟,分析了流量比对水垫塘底板的冲击压力、临底速度、流态特征影响,并定量研究了流场内时均动能的衰减规律。研究表明,随着上游水股射流流量的减小,上游水股对底板的冲击压力在逐渐减小,由上游水股产生的动水垫作用逐渐减弱,使得下游水股对底板的冲击压力在逐渐增大;水垫塘流场呈现为具有动水垫效应的单股射流和动水垫效应微弱的单股射流两种形态。定量计算结果表明:对于上游水股射流,时均流速梯度较大,时均动能衰减较快,且随着上游水股射流流量减小,时均动能衰减速度加快,而下游水股射流的时均流能量比值和时均消能率总体小于上游水股射流消能率。     

一种新型掺气设施的试验研究

设置在泄洪洞竖井内的环形掺气设施是不同于传统掺气技术的新创意.为了更好地认识这种新型的掺气技术,基于公伯峡水平旋流泄洪洞原型和模型试验,对环形掺气坎的通风和掺气特性进行了研究.结果表明环形通气孔的通风是由通气孔进出口的压差引起的,通风量与相对空腔长度的关系服从线性分布;环形掺气坎掺气减蚀的作用明显,其掺气是由于射流冲击竖井水体形成大尺度旋涡并挟带气泡所致,且掺气浓度沿高程呈乘幂分布;模型通风和掺气特性的缩尺效应明显.在结构设计满足要求的前提下,有必要在旋流泄洪洞的竖井段设置掺气设施,可改善水流流态,并增加消能效果.     

一种新型掺气设施的试验研究

设置在泄洪洞竖井内的环形掺气设施是不同于传统掺气技术的新创意。为了更好地认识这种新型的掺气技术,基于公伯峡水平旋流泄洪洞原型和模型试验,对环形掺气坎的通风和掺气特性进行了研究。结果表明环形通气孔的通风是由通气孔进出口的压差引起的,通风量与相对空腔长度的关系服从线性分布;环形掺气坎掺气减蚀的作用明显,其掺气是由于射流冲击竖井水体形成大尺度旋涡并挟带气泡所致,且掺气浓度沿高程呈乘幂分布;模型通风和掺气特性的缩尺效应明显。在结构设计满足要求的前提下,有必要在旋流泄洪洞的竖井段设置掺气设施,可改善水流流态,并增加消能效果。     

泡沫钻进流体循环用消泡器设计与数值模拟分析

高效、经济、环保的消泡技术是泡沫钻进流体循环利用的基础。根据气体引射器原理,设计了一种新型旋内喷式机械消泡装置,以压缩空气为动力介质,联合真空负压、冲击剪切、充气饱和及减速增压扩散4种作用方式快速消泡,实现泡沫流体的循环利用。利用计算流体动力学软件FLUENT对消泡器内部速度和压力流场进行了数值模拟分析,结果表明：旋内喷式消泡器内部产生两个相邻重叠的真空负压区域,能够对外界流体产生巨大的抽吸力,抽吸量是入口压缩空气质量流的1.6倍左右;当入口压缩空气的质量流为0.1 kg/s时,消泡器中心最大负压值达到了21 kPa;在交汇式喷射孔的多股射流交汇碰撞点附近,由于速度的提升,形成了一个更大的负压区域,对消泡产生积极作用。     

ABR反应器结构对水力特性的影响

ABR反应器的结构决定了反应器的流态, 从而控制着可能达到的处理效率.为进行反应器结构优化设计, 首次研究了ABR的下、上向流室宽度比、折流板底端距底板距离和折流板折角等结构参数与ABR水力特性之间的关系.厌氧折流板反应器ABR的典型结构由一系列相同结构单元串联组成.反应器的水力特性可通过研究单个单元的水力特性推知.采用停留时间分布RTD (residence time distribution)方法研究了反应器各结构参数的变化对一个5.2 5L的ABR单元清水水力特性的影响.结果表明: ABR的死区较小, 远低于其他厌氧生物反应器; 流态接近理想推流式; 下、上向流室宽度比不宜过小, 最佳值为1∶3;折流板底端距底板距离与死区在本试验所取范围内(1~ 5cm)成正比关系; 折流板折角以50°左右为佳.      

滩地植被化明渠中横向水平射流特性试验研究

运用Micro ADV测速系统,对3种工况下滩地植被化的复式断面横流环境中三维圆形水平射流的特性进行了试验研究.试验测得的射流典型横断面速度场及湍动能的成果表明,射流与来流的相互作用表现出明显的分叉现象,其分叉半角为5.71°;复式断面二次流具有加速射流分叉的作用,滩地植被具有减缓射流分叉的效应.对射流出口平面的速度场及湍动能的分析表明,射流轨迹曲线的弯曲程度、射流中心线的位置主要取决于射流与来流流速比.流动横断面流速和湍动能特性表明,射流在整个流场中是各向异性的.     

宽尾墩联合消能工体型选择及水力特性的研究

通过系统水力试验,给出了宽尾墩附加消能的消能机理与消能过程,以及附加阻力系数Δζ'及其计算式。对宽尾墩改善消力池内的水流结构,缩短水跃长度,减少尾水深度,提高消能率及改善跃后水流状态等进行了分析,并给出了相应计算式。通过对比试验,得出了宽尾墩体型选择参数。     

加强钻孔水力开采技术研究，拓宽探矿工程创新发展空间

钻孔水力采矿是钻探工程在采矿工程中的一种应用,是一个重要发展方向,具有拓宽创新意义。本文介绍了钻孔水力采矿的工作原理和工艺过程;讨论了石油喷射钻井射流和钻头的水力参数;探讨了钻孔水力采矿时破碎矿石的孔内射流碎岩器具及其结构参数;提出了有关改进这种技术的方法和手段的几点建议。钻孔水力采矿由于工程效益好、安全系数高和生态环境保护好等优点在国外一直在研究和使用。建议我国加强这方面的研究,以拓宽探矿工程的创新发展和服务空间。     

深尾水消力池非完全宽尾墩消能试验研究

为解决下游深尾水工程中常规底流式消力池内由于消能紊动不足引起出池水流二次水跃、冲刷下游天然河床等一系列工程难题,结合物理模型和数值模拟对比研究平尾墩、常规宽尾墩以及非完全宽尾墩下游消力池内流场差异。研究结果表明:非完全宽尾墩利用平尾墩闸室与相邻宽尾墩闸室入池水流横向水位落差和纵向流速梯度,迫使雍高射流入池水流呈弧形横向扩散、碰撞,显著增强剪切紊动,促使消力池上游区域形成由底至表不断发展壮大的立轴旋滚,提升消力池内能量紊动耗散、降低出池水流流速,完全解决常规底流式消力池中易出现的二次水跃、消能不充分等问题。     

低弗劳德数水流二级消力池水力特性试验研究

针对低弗劳德数水流消能问题,在确定单级消力池和二级消力池体型的基础上,采用物理模型试验方法,分别研究了低弗劳德数水流单级和二级消力池的水力特性和消能结构特性。结果表明,在低弗劳德数水流条件下,二级消力池将原单级消力池出池水面较大波动区变成了适应区,对下游尾水位的适应区间显著增加,出池水面波动更小。同时,单级消力池内流线更加稀疏,流速梯度更小;消力池涡量大小明显低于二级消力池,而雷诺应力明显大于二级消力池;二级消力池内雷诺应力大小分区较单级消力池更明显,表面旋滚区明显大于底部旋滚区,水流更加稳定。相比单级消力池,二级消力池消能率显著提高,且有利于下游河床和岸边的防冲保护,工程应用更为有利。     

基于耗散能量的饱和黄土动孔压模型

通过一系列不排水动三轴试验探究了饱和黄土振动液化过程中孔隙水压力和累积耗散能量的演化模式,并讨论了围压、动应力幅值和固结应力比对其演化过程的影响。结果表明：饱和黄土的孔隙水压力和耗散能量随着循环荷载作用逐渐累积。固结围压抑制孔隙水压力增长而消耗更多能量;更大的动应力幅值使得孔隙水压力增长更快而消耗能量更少;等压固结下,孔隙水压力增长至围压从而触发初始液化,而偏压固结下,通常先达到振动液化应变标准而孔隙水压力并没有增长至围压水平,并且固结应力比越大,液化时孔隙水压力越小,消耗能量也更少。归一化孔隙水压力u/σ₀’与累积耗散能量W/W_f之间关系受围压、循环应力比和固结应力比影响较小,可统一用双曲线模型表示。     

分级循环荷载下岩石动力学行为试验研究

利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了分级循环荷载试验,研究了岩石的动弹性模量对应力幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和耗散能随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律。试验结果表明,分级循环荷载下岩石的能量耗散越多,动弹性模量越小;应力水平越高,动弹性模量和耗散能越大;含水率和应力幅值越大,动弹性模量越小,耗散能越大。讨论了邓肯-张模型能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,构建了动弹性模量随应力水平、应力幅值及含水率变化的演化模型,探讨了模型参数的确定方法。根据能量耗散的经验法则,建立了耗散能演化模型,结果表明,该模型能够描述分级循环荷载过程中能量耗散行为。     

一个基于热力学的土体本构模型

修正剑桥模型假设体积塑性功的一半转化为耗散能,一半转化为由塑性变形约束的自由能,但通常体积耗散能和塑性体积自由能并不相等。基于热力学理论,通过引进间隔应力比来表征体积塑性功和塑性体积自由能的比例关系,构建了一个土的体积硬化模型。由于岩土材料耗散函数与所处的应力状态有关,因此,需要应用非关联流动法则,修正剑桥模型是适合应用相关联流动法则的一个特例,也是所提出模型的一个特例。     

细颗粒粘滑运动的能量耗散与释放试验

近年来,利用断层产物以及其中的颗粒来研究断层或地震带的能量耗散与释放,已引起大家的重视.在围压分别为30 kPa、60 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa和600 kPa的条件下,采用直径为0.6~0.8 mm的玻璃珠以0.02 mm/min的轴向应变速率进行干燥、松散细颗粒材料的固结不排水三轴压缩试验.为了减少轴向应变过大时主应力轴旋转产生的误差及其对做功的影响,试验只分析加载后轴向应变为10%时试样变形破坏过程中的能量耗散与能量释放特性.试验结果表明:随着围压的增大,主震频率减小、偏应力降幅增大,但偏应力降幅与最大偏应力的比值逐渐趋于稳定.粘滑运动过程中,在偏应力骤降瞬间,声发射强烈、试样体积收缩,说明能量控制着试样的变形与破坏特征,耗散结构能量越大,系统发生滑动的频率越小.粘滑运动过程可以表示为能量耗散与能量突然释放.最后,从热力学的角度分析滑动过程的3个阶段,得出粘滑运动为不可逆耗散能与可释放应变能共同作用的结果.      

密实散粒体剪切破坏能量演化的离散元模拟

砂土等散粒体在剪切过程中的能量存储及耗散是其宏观力学响应的深层原因,但因量测难度较大而研究较少。将考虑抗转动的接触模型引入离散元软件PFC2D,基于热力学第一定律建立各种能量量测方法,并在平面应变双轴压缩试验中采用该方法统计密实散粒体在剪切过程中的能量演化规律。采取了4种耗散类型,即滑动-滚动（S-R）、滑动-非滚动（S-NR）、非滑动-滚动（NS-R）和非滑动-非滚动（NS-NR）。结果表明：密实散粒体加载时能量耗散以滑动摩擦为主;且小应变加载阶段,外力功主要转化为弹性应变能,但同时也存在均布于试样的耗散能;随着应变的增加,外力功的转化形式逐渐过渡为以耗散能为主,且集中分布在带状区域内;各个加载阶段的摩擦耗散均存在各向异性。     

低弗劳德数水流二级消力池体型参数试验研究

低弗劳德数水流条件下,二级消力池是解决消能问题的一种有效途径。但至今为止,有关二级消力池的工程应用研究较多,而在体型参数和消能机理方面研究较少。为此,采用理论分析和物理模型试验相结合的方法,研究了低弗劳德数水流二级消力池体型参数及其敏感性。结果表明:消力池的长度、深度和尾坎高度等参数都存在界限值,超出界限值时第一级消力池易于产生波状或远驱水跃,而第二级消力池出池水面波动显著增大。池长小于界限值时,消力池池内流态恶化,消能率明显降低;尾坎高度越低,消波效果越好。优化后的二级消力池消能率明显提高,且二级消力池对尾水位的适应性也显著扩大。引入尾坎高度修正系数ωi,提出了各级池长和尾坎高度的计算公式。