水平多股淹没射流水力特性及消能分析

针对不能采用挑流消能型式的大型水电工程,提出了多股多层水平淹没射流新型消能型式.它是利用与下游消力池底板具有一定高差且基本平行的多股射流进入消能水体的中间,在每一股射流的四周形成强剪切并各有一个较为稳定的三元紊动旋滚的水平多股淹没射流进行消能.对该消能方式的水力特性和消能特性进行理论分析,推导出三元水平多股淹没射流水力参数计算公式,计算结果表明它是一种流态稳定、适应性强、低雾化、高消能率,有利于降低临底流速的新型消能方式.     

密松水电站泄洪消能体型优化试验研究

在1:60溢流坝表、中泄水孔断面模型上对密松水电站泄水建筑物的布置方案进行了泄流能力、流速流态、压力分布等相关水力学问题的试验,并通过十多个方案的比较优化,提出了基本可行的泄水建筑物体型和消力池型式。研究成果表明:表孔采用合适的宽尾墩形式,对增加消能率、缩短消力池池长有利,但无法消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象;表孔取消宽尾墩,采用跌坎式消力池方案,可有效降低底流消能时的池底板流速,同时消除宽尾墩形成的水翅击打两侧导墙现象,达到较满意的消能效果。本文中十数个消能方案的研究成果,对类似工程的设计和科研均有参考价值。     

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。     

微淹没圆形射流空化特性减压试验

空化空蚀和掺气减蚀机理的研究是高速射流研究的重要方面。在微淹没条件下,保证闸室面积与射流出口面积比不变,对设置门槽的有压矩形闸室后接圆管射流的突扩突跌消力池空化特性进行减压试验,其中跌坎高度S（5.5 m和4.0 m）和圆管长度L₂（L₂/d=2、1和0,d为圆管直径）。跌坎高度S从5.5 m降低至4.0 m,门槽及圆管射流出口处消力池边墙发生空化的可能性变化仅10%。圆管长度L₂/d=2和0时门槽发生空化的可能性比L₂/d=1时高出40%~60%;而L₂/d=0时圆管射流出口处边墙的空化可能性比L₂/d=1时可高出260%,L₂继续增加对空化特性的不利影响有限。增加跌坎高度S有利于水流掺气,为达到良好的掺气减蚀效果,不宜过低。因此,跌坎高度S对门槽及圆管射流出口处消力池边墙空化特性影响较小,而圆管长度L₂对其空化特性影响较大。     

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。     

复式挑流鼻坎在亭口水库导流泄洪洞中的应用

单一的、固定的消能模式难以适应亭口水库导流泄洪洞工程实际,根据工程具体特点,提出将基本的消能建筑物形式进行综合应用,以解决枢纽泄洪消能问题。通过鼻坎体型优化调整,得出普通连续型挑流鼻坎底板中部开设分流槽的复式挑流鼻坎,这种消能组合对减小岸边冲刷深度和降低下游淤积高程具有良好的效果,可满足导流泄洪洞永临结合运行的要求。     

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。     

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。     

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。     

静止环境中平面负浮力排放近区特性的数值研究

运用k-ε湍流模型,建立静止环境中平面负浮力倾斜射流的二维数学模型,采用D.M.Shahrabani和J.D.Ditmars的试验资料进行检验,并且对这类流动进行了数值预报。在此基础上,提出了将射流影响区域划分成为三个区的概念,即:射流区、回流区和水平扩展区,也给出了射流区和水平扩展区及射流区内部分区的界限。给出了收缩断面的位置及该断面物理量的分布,为远区特性计算给出了定解条件。     

脉冲磨料射流破碎岩石的实验研究

在淹没和非淹没状态下研究了脉冲射流的动态特性、振荡腔腔长、靶距、磨料浓度等参数与脉冲磨料射流的切割和冲蚀性能的关系,对比分析了脉冲磨料射流与前混合磨料射流在相同实验条件下对花岗岩及石灰岩等的冲蚀性能。实验结果表明,自激振荡射流频率随腔长增大而减小,随压力及流量的增大而增大;脉冲磨料射流的体积冲蚀速度在淹没状态下是前混合磨料射流的1.7倍,而在非淹没状态下为前混合磨料射流的1.4倍。     

高水头泄洪底孔水力学研究方法适宜性分析

水力学问题研究方法多样且各具特点,各类方法所获成果的异同性倍受关注。基于某水电站高水头泄洪底孔,应用物理模型试验、水力学原型观测及时均化的紊流数学模型对水力学问题进行模拟或观测,辨识出3种研究方法的适宜范围及程度,三者对于宏观水力流态、底流速、时均压力及掺气空腔的模拟成果吻合良好,水面线模拟有一定差异,原型水面波动、水舌纵向扩散更大,成果可引导此类型水力学问题的研究方法选择及成果修正。     

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.     

流动环境中二维铅垂纯射流的试验研究

对均匀流动环境中的铅直二维射流进行了试验研究,得到了流动转变的条件.采用超声多普勒流速仪(ADV)对射流流场进行了测量,得到了流速矢量图和流线图,发现在射流的迎流面存在流线跌落现象.探讨了流速比对射流背流面涡心和分离点位置的影响.给出低流速比为8的射流流场的实测结果,以供数值模拟对比使用.     

RETRACTION: Numerical simulation of a wind-sand flow under different conditions of atmospheric stability

A theoretical model for wind‐sand flow is developed by considering the coupling between wind flow and sand particle motion, the latter subject to the Magnus effect, under different atmospheric stability conditions. Using this model, the characteristics of the wind‐sand flow are discussed in detail. The results show that the atmospheric stability and the Magnus effect both have a strong influence on wind profiles and on the trajectories of sand particles. This approach produces results with characteristics that differ from those previously reported; the latter only applying to atmospheric conditions of neutral stability. The saltating sand reaches a greater height under non‐neutral stability than under neutral stability, while the maximum horizontal distance is greater under unstable conditions and is smaller under stable conditions than under conditions of neutral stability.     

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。