硬质黏土淹没射流冲刷试验研究

近年来自吸式管道排沙系统以其省水、高效、廉价等优势,逐渐成为水库清淤的主要措施之一,然而在遇到土颗粒较细、淤积历时较长的硬质黏土时,它的清淤效果下降明显。为了探究硬质黏土的破土机制和起动影响因素,采用模型试验的方法,选取一种黏性泥沙,通过负压固结的方式制备硬质黏土样,然后进行了不同出口流速、喷嘴尺寸和射流靶距的直立淹没射流试验。试验结果表明,鉴于土样存在黏性,其受冲刷破土机制与无黏性土存在较大差异,冲坑发育过程存在一定的随机性和自相似性,并且射流冲刷效率与射流出口流速和喷嘴尺寸成正比、与射流靶距成反比,同时射流靶距对冲刷坑形态的影响最为明显。

射流冲刷底泥起动输移规律及机理

水下高速流体射流冲沙是清淤作业的必要手段,如何有效提高射流造浆效率对河(航)道清淤和水库库容修复等工程具有重要价值。采用射流冲刷底泥起动输移试验与高速射流喷头流场数值模拟手段,研究不同水力要素下射流对底床的冲刷效果,分析射流流速分布及衰减规律,探明高速射流底泥冲刷机理。研究结果表明:射流造浆过程中存在最优冲沙距离,使得造浆速率及浑水体浓度增长速度最快;射流中线剖面上横断面射流时均速度分布、最大速度衰减规律具有相似性,不同射流流速下射流初步发展区的射流速度半宽增长率相同;射流冲刷效率与射流发展中的阻力损失和到达床面时的能量损失直接相关,确定合理的射流喷头布置高度有利于提高造浆效率。研究成果对射流造浆能力与速率的提升乃至清淤设备的升级改造提供了有力支撑。

垂直射流冲刷砂床的喷嘴间距试验研究

疏浚工程中常利用射流进行河道清淤和冲砂施工。为探究喷嘴间距对射流冲刷的影响,开展了一系列不同靶距、速度和间距的双喷嘴冲刷粗砂、中砂砂床试验,分析了冲刷坑形、冲坑深度和冲坑截面积的变化特性,得到了各工况下的最优喷嘴间距L_B和不利喷嘴间距L_N。结果表明,对于同一粒径砂床,改变靶距和速度冲刷时的L_B和L_N值变化较小,而与粗砂砂床相比,冲刷中砂砂床时的L_B和L_N值均有所增加。研究成果可供疏浚工程中射流系统设计作为参考。

基于ALE方法的射流冲刷砂土和黏土的数值计算

疏浚工程中常采用射流冲刷的方式辅助切削土壤,但面对不同土质时其效果差异较大。针对疏浚中常见的砂土和黏土两种土质,采用ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法对其射流冲刷过程进行了数值计算,通过实验验证了计算结果的有效性,比较了两种土质在射流冲刷下的坑深发展、冲坑形态和冲刷能耗。结果表明:两种土质的冲刷坑深在初始阶段均线性增长,相同冲刷速度下黏土的发展速度较慢;两种土质的冲刷坑形均具有相似性,冲刷黏土获得的坑形更为陡峭;随着目标坑深的增长,两种土质所需冲刷速度线性增加,获得相同冲坑深度时,黏土(剪切强度17 kPa)所需能耗达砂土的十多倍。

基于SPH方法高速射流冲刷的模拟

针对有限单元法在处理大变形中的网格重构、网格畸变等问题的困难,采用SPH方法模拟高速射流冲刷过程。SPH方法是一种纯拉格朗日型的无网格粒子法,能够有效地避免大变形中的各种网格问题。采用该种方法主要模拟不同工况下的冲坑发展情况,冲刷对象选LS-DYNA中的MAT147材料模型。计算结果表明采用SPH方法可以形象、直观地反映高速射流冲刷的过程,并且能够清楚地描述粒子速度场和砂床内部压力场的演变,所得结果可以为高速淹没射流的研究提供参考。

平面淹没射流垂直冲刷泥沙试验研究

射流在水利工程中作为冲沙手段已有较广泛的应用,冲刷过程的射流冲坑特性与泥沙悬浮特性均是衡量冲刷效果的重要指标。通过改变射流速度、喷射靶距、泥沙粒径,进行了平面射流冲刷沙床的系列试验。结果表明:冲坑与泥沙的悬浮尺寸随时间均呈现快速增长期、缓慢发展期和动态稳定期3个发展阶段,在此过程中,泥沙悬浮尺寸会出现峰值,最终在某一数值上下波动;总体上冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随射流速度和喷射靶距的增大而基本呈线性增大,短时间(1 s)内靶距的增加对冲坑深度的影响较小;冲坑深度与泥沙悬浮尺寸随粒径的增大有所减小;冲刷参数可以用来综合衡量射流的冲刷能力,随着射流冲刷参数的增大,无量纲化的冲坑深度、悬沙高度和悬沙宽度均呈线性增长趋势。

泥沙粒径及射流速度对沙床冲刷的影响

射流冲刷在众多疏浚工程中应用广泛并发挥了重要作用,对其开展深入研究很有必要。基于Eulerian二相流模型和k-ε湍流模型,以粒径为0.04~0.23 mm的沙床为研究对象,进行了二维垂向淹没射流冲刷沙床的数值模拟,研究了粒径和射流速度对沙床冲刷的影响。结果表明,在研究的粒径范围内,最大冲刷深度和悬浮泥沙体积与流速成正相关,与粒径成负相关,且流速的影响更大。

舟山LNG取水泵站泥沙减淤清淤试验研究

LNG接收站取水流道内水流形态复杂,泥沙淤积问题往往难以避免,特别是在含沙量较高水域,流道内泥沙淤积可能威胁接收站的正常运营。为实现LNG取水泵站不停机条件下清淤,开展取水泵站射流冲刷物理模型试验,模拟了射流冲沙装置开启后吸水间射流水流特征及冲刷效果,探究了射流冲刷设置的喷嘴与翼墙夹角、射流流量、冲刷时间等因素影响下流道内减淤清淤效果。试验结果表明,在理想状态下吸水间射流冲沙装置连续作用12h基本可达到较为理想的清淤效果;一次大风浪过后,装置连续作用0.5h基本可达到较为理想的清淤效果。清淤效果视射流流量、喷嘴与翼墙夹角以及冲刷时间不同而有差别。结合取水泵站泥沙淤积物理模型试验研究成果,取水泵站淤积区主要发生在前池、过滤池末端、吸水间和消防泵附近,建议在这些区域安装射流冲沙装置,实现不停机状态下的减淤清淤,提高取水安全保证率,从而提高运营效益。

ALE方法及SPH方法模拟高速射流破土过程的对比

针对现有大多数数值方法模拟射流冲刷时无法形象地描述砂土运动情况,同时无合适的方法研究高速射流破土问题,采用ALE和SPH两种方法对比分析了破土形态、破土过程、破土时砂土内部的应力变化及破土后与试验坑形的差异。结果表明,SPH和ALE方法均可模拟射流冲刷,但SPH方法比ALE方法简单,而ALE方法较SPH方法更加逼真,在实际应用时可根据自身需要研究的对象类型及条件来决定。

基岩冲刷破坏特征分析

通过对水垫塘纯水淹没射流特征的分析 ,提出高速射流的脉动压力是基岩破碎、解体的最主要原因 ,脉动压力的特性与基岩的节理、裂隙的特性共同决定基岩破碎、解体后岩块的大小、分布情况等 ,而冲刷坑的形成则主要是由于水流速度的作用将岩石带向下游 ;基岩破坏后的岩块特征将影响冲刷破坏的方式 ,对于基岩破碎后 ,其岩块非常均匀且排列整齐的情况 ,以岩块能否被拔出作为判断是否冲刷的条件 ;而对于基岩较破碎的情况 ,将岩块的移动概化为正方体的滚动较能反映实际破坏过程 。

射流作用下不同沙床动态冲坑变化规律的试验研究

基于泥沙动力学和射流冲刷理论,对粗沙沙床和中沙沙床在某一流速下进行不同靶距的淹没射流实验,通过高速摄像机捕捉动态冲坑在短时间内的发展变化,分析了在前10s和前1s内的坑深发展规律。并将前1s等分成24个时间段分析其细微变化。结果表明:冲坑深度在前10s内基本呈对数规律发展;射流冲刷刚开始时中沙沙床冲坑深度的发展趋势有时滞后于粗沙沙床;冲坑深度随时间有先增加后减小的趋势,在此流速下存在一个最优靶距。此实验的研究成果在疏浚工程施工作业时具有一定的参考价值。

冲击水浴除尘器淹没气体射流冲坑形态数值模拟

在自行设计制造的冲击水浴除尘器试验台上,采用VOF界面跟踪法对冲击水浴除尘器中二维淹没气体射流冲坑形态进行了数值模拟,气液两相流的相互作用通过力平衡和动量交换获取。结果表明:气体入口速度是影响淹没气体射流冲坑特征形态的主要因素之一;气液两相独特的性质决定了其独特的运动方式,从而影响冲坑膨胀停滞阶段冲坑的特征形态;随着气体速度的增加,冲坑特征半径和冲击深度会增加,且增幅越来越大。

双喷嘴射流冲坑的几何相似性研究

高压水射流在耙吸式挖泥船中具有重要的作用,可极大地提高破土冲砂的挖掘效率。采用实验与数值模拟相结合的方法对双喷嘴射流冲刷砂床形成的坑型进行研究,中值粒径d50=1.8mm,固定靶距并恒定流速,在不同的喷嘴间距下进行射流冲刷研究。结果显示,实验结果与数值模拟的冲坑形状基本一致,左右坑形状可以用同一条曲线来描述,即冲坑形状具有几何相似性。

二维垂向射流沙质河床冲刷的数值模拟

基于紊流理论和射流冲刷机理,本文提出了二维垂向射流冲刷的数学模型.以拖曳力为主要参变数,导出了基于希尔兹数的推移质泥沙输运模型,将临界希尔兹数作为泥沙颗粒起动的判别标准,模型中没有考虑悬移质的运动,推移质运动所引起的河床形态变化用动网格技术来描述,从而形成了基于动边界的二维射流冲刷数学模型.针对二维垂向射流清水冲刷进行了试验研究,得出了射流流态及冲刷坑的几何特征等资料.选用实验室物理模型参数对二维射流冲刷进行了数值计算,试验和数值模拟均展现了射流冲刷摆动的发展过程,两者给出的射流摆动现象的良好吻合验证了模型和算法的有效性,进而在计算和试验研究基础上给出了射流冲刷平衡时冲刷坑特征长度的半经验公式.

潟湖港区通航运河岸坡护底结构设计计算

大型潟湖港区往往通过狭长的运河航道与外海相连,运河内面临外海波浪、涨落潮流和船舶航行的多重影响,显著的波流耦合作用以及船舶螺旋桨射流冲刷给运河岸坡的护底防护提出了较高的要求。为了解决这种复杂水力环境下护底保护问题,通过对国际通用规范中相关计算理论的研究,总结提出了一套适宜的计算方法,便于工程人员更好地运用国际规范解决相关问题,同时可为国内规范的修编提供参考、助力中国规范与国际接轨。