渐缩渐扩洞塞消能和空化特性

建立了三维RNG k-ε紊流数学模型和突缩突扩洞塞泄流的物理模型试验,利用实验结果对数学模型进行了验证,利用验证后的数学模型对突缩突扩洞塞和渐缩渐扩洞塞的水头损失系数和空化数进行了计算。结果表明,洞塞渐缩(或渐扩)段相对长度一定时,随着渐扩(或渐缩)段相对长度的增加,水头损失系数减小,最小空化数增加。当渐缩段和渐扩段几何尺寸互换时,水头损失系数和最小空化数的变化不大;其他几何参数一定的情况下,随着横断面半径收缩比的减小,水头损失系数增加,最小空化数降低。圆弧连接情况下,随着圆弧夹角的增加,水头损失系数呈现先降低后增加的趋势;而最小空化数呈现先增加后降低的趋势。其他几何参数一定的情况下,圆弧连接的水头损失系数小于斜线连接的对应值,最小空化数则相反。在水头损失系数和最小空化数权重相等的假定条件下,初步探讨了渐缩渐扩洞塞几何体型参数的优化方法,给出了渐缩渐扩洞塞的最优几何体型参数。     

水平旋流消能工水力学研究方法适宜性

为明晰原型观测、模型试验和数值模拟3种水力学研究方法对水平旋流消能技术的适宜性,基于公伯峡水平旋流洞体型,对比了3种方法的研究成果,得到各方法对不同参数的适宜性。结果表明:3种方法对宏观水流流态、旋流洞壁面压强、消能率的研究结果基本一致;模型试验和数值模拟的环状空腔长度与原型观测存在不同程度的差异,进而影响竖井内其他参数的准确性,工程设计中应对其进行必要的修正;数值模拟和模型试验是研究旋流空腔形态和旋流洞内流速的可行方法,能有效克服原型量测技术的局限,且数值模拟研究更具优势;1∶40及以上比尺的模型是研究起旋室通风井通风特性的有效方法。     

贮能管消泡实验与数值模拟

为了研究贮能管对消泡器消泡能力的影响,进行了消泡器消泡能力室内试验.通过试验可知,贮能管的长度对泡沫的消泡率有很大影响.试验证明,随着贮能管长度变短,泡沫稳定性增大,消泡率提高.对不同长度(1 m、2 m、8 m)贮能管的消泡率进行测试,结果是当贮能管长度为1 m、直径为20 cm时,其消泡率最高,达到73%左右.另外消泡率与气液比有关,当气液比α= 100～200时,消泡率较高.同时借助FLUENT软件对该管中泡沫流动速度与泡沫压力变化进行了数值模拟分析.结果表明:泡沫流动速度与贮能管的长度及直径无关,而泡沫压力随着贮能管的长度变小而更加稳定,这有利于提高消泡效果.模拟结果与实验结果相符.     

高拱坝宽尾墩三维流场数值模拟

高拱坝表孔宽尾墩收缩射流水舌的扩散特性与其出口流速分布密切相关,为了求得收缩射流的水力特性,应用RNGk ε双方程湍流模型对高拱坝表孔不同体型及过流量条件下可能出现的降水曲线流态、急流冲击波流态、水跃壅水流态、缓流流态4种流态进行了数值模拟计算,水流自由表面的模拟采用VOF法,得到了溢流水面及流速分布。结果表明,无论在何种流态下,计算所得的水面曲线均与物理模型试验值吻合良好,所得的出口流速分布结构也验证了高拱坝宽尾墩收缩射流水舌不同流态下分散的机理。     

索风营水电站泄洪消能工设计研究

索风营水电站河谷狭窄,单宽流量大,泄洪消能布置较困难,通过各种消能形式比较及水工模型试验验证,采用新型结构形式--＂X＂形宽尾墩＋台阶坝面＋消力池的综合消能形式,水流流态和泄量均满足设计要求.通过调研、设计、施工和模型试验论述了这一新型消能工的优越性,为今后类似工程提供科学依据.     

泄洪洞整体三维紊流数值模拟

利用实用、高效的泄洪洞整体三维紊流数值模型,对滩坑水电站泄洪洞进行了数值模拟,该模型采用引入VOF方法的k-ε紊流模型,结合通用性强、易扩展的非结构混合网格。为克服网格扭曲给计算精度带来的影响,用一种改进精度的格心格式计算通量,使之具有非结构网格剖分的灵活性,程序的通用性和可扩展性,又有较高的计算精度。数值模拟结果和模型试验数据的对比分析表明,该模型是实用可靠的。     

消泡压力对消泡率的影响及基于数值模拟的消泡器结构优化设计

在泡沫钻进过程中,现有的消泡器往往不能很好地达到消泡的目的。笔者建立了消泡器室内试验台,进行了消泡压力对消泡器消泡能力的影响试验,通过测试不同压力与不同泵转速确定了消泡压力与消泡率的关系,同时借助FLUENT软件对消泡器的扩散管和消泡管内部的压力分布,进行了数值模拟与分析。根据分析结果对消泡器进行了优化设计,将消泡管的长度从15cm增加至65cm。对改进后的消泡器进行室内试验,其消泡率达到80%左右。     

岩溶土洞演化及其数值模拟分析

土洞是覆盖型岩溶区一种隐伏的不良地质现象。土洞在水的作用下发育演化最终形成塌陷,可通过地下水位的变化来研究土洞发育和塌陷的形成。同时土洞的演化会造成覆盖土体不均匀位移和应力重分布,可通过覆盖土体位移和应力变化来进行研究土洞演化过程。采用FLAC3D三维有限差分程序,分析覆盖层垂向位移场表明:最大垂向位移出现在土洞顶部,使拱顶出现拉张破坏,并可根据洞顶土层位移的数值模拟结果,划分“等沉面”确定土洞扰动的土层深度。分析覆盖层剪切应力场表明:在土洞拱趾部位出现剪应力集中,会造成拱趾的剪切破坏,并可根据洞顶“剪应力低值区”,判断覆盖层中土拱效应的存在。分析覆盖层塑性区表明:较为坚硬的黏土层中,土洞以拱顶塌落和拉张破坏为主,最终可以形成坑壁较为陡直的桶状或坛状塌坑。土层较为松散时,以拱趾的剪切破坏为主,最终可以形成锥碟形塌陷坑。利用“剪应力低值区”,“等沉面”和“塑性区”可综合判断土洞的稳定性以及覆盖层所能形成的极限土洞大小。岩溶土洞演化规律及数值模拟研究对岩溶塌陷（土洞）早期监测和评价有着重要的理论及工程意义。      

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.     

基于黏弹塑性本构模型的泥石流数值模拟

泥石流是一个世界范围的地质灾害问题,多年来受到广泛而深入的研究。大多数工作致力于分离地研究岩土材料破坏前的失稳机制和失稳后的快速流动扩展。尝试以一种连续方法模拟完整的泥石流过程,仅用一个本构模型描述泥石流的起始、扩展和停滞。首先讨论了重力增大和基质吸力降低诱发泥石流的力学机制,描述了泥石流过程中岩土材料力学性质的弹塑性–黏性转变现象,对泥石流进行了黏弹塑性的全程模拟,并对挡土墙的冲击效应进行了启发性研究,证明了研究中所使用的本构模型可以准确地描述岩土材料的固流转化现象,数值方法可以很好地对均质连续介质进行大位移模拟。     

振荡流底层悬沙运动的数值研究

建立了平底振荡流底层立面二维水沙数值模型,利用Smagrionsky(SGS)格子涡模型封闭二维Navier Storkes方程水流运动方程组,控制方程采用SMAC法求解。该模型能较精确地模拟振荡流底层水流流动特性,以及含沙量沿垂线分布和随相位变化的情况,且与水槽实验的实测资料基本吻合。     

天津市地面沉降数值模拟研究

地面沉降是天津市的主要环境地质问题。造成天津市地面沉降的原因很多,但主要原因是大量开采地下水。本文重点研究开采地下水条件下的地面沉降数学模型及模拟,为控制地面沉降提供科学依据。通过对第四系的水文地质条件分析,建立第四系的水文地质概念模型和地层压缩概念模型,并建立相应的准三维水流数学模型和一维地层压缩数学模型,两者通过含水层水头和弱透水层粘性土中孔隙水头的内在联系耦合在一起。利用以往系列水位数据和沉降数据对模型进行标定,模型基本上反映了天津市地面沉降的实际情况。     

黏性泥石流拦挡工程数值模拟

运用计算流体动力学技术对泥石流中的Bingham黏性泥石流流体对拦挡坝的冲击进行了数值模拟,所用软件为通用CFD软件CFX,使用CAD软件AutoCAD和Unigraphics（简称UG）建立了泥石流沟谷三维地形及拦挡坝模型,计算出泥石流的速度场及泥石流流体对拦挡坝的冲击力的大小与分布。     

降雨条件下北川斜坡破坏的数值模拟

本文采用FLAC的两相流模式和修正的Mohr—Coulomb模型,对北川地区震后土在降雨条件下的位移和速度矢量进行了数值模拟和分析,同时在室内进行了降雨条件下斜坡破坏的模型实验。分析结果表明：土体在沿坡面的最大水平位移发生在坡脚处,土体水平位移是衡量斜坡破坏的首要指标,可采用坡面特征点的位移突变作为斜坡破坏的判别标准;数值模拟得到的斜坡破坏与降雨历时关系与室内模型实验结果吻合较好。     

过渡段对连续弯道水流影响的数值模拟

通过分析不同长度的过渡段对连接连续弯曲河道后弯水流的影响,探讨航道整治工程设计中过渡段长度的确定依据。在模型试验资料验证的基础上,采用RNG k-ε湍流模型和VOF方法处理自由水面的水气两相流数学模型,对连续弯道水流进行模拟计算。对比不同过渡段长度条件下后弯水流特征的变化情况,发现增加过渡段长度可以减弱前弯对后弯水流的影响。当相对过渡段长度大于一定数值后,后弯的特征水流情况保持稳定,增加过渡段长度所引起的减弱前弯水流对后弯水流影响的效应基本丧失。以后弯水流条件趋于稳定为特征定义临界过渡段长度,可作为航道尺度设计中过渡段长度取值的计算基础。     

非饱和土入渗的数值模拟

入渗引起土中孔隙水压力的变化,是影响非饱和土性状的最重要的原因之一。因此,正确地分析和模拟非饱和土入渗过程具有重要意义。通过对一维和二维降雨入渗问题的研究,展示了湿润锋面、地下水位面及孔隙水压力分布随时间的变化,使得对入渗问题的认识更加直观和清楚。     

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。