低坝工程对弯道水流特性影响试验和数值模拟

弯道河流运动复杂,威胁河岸及周边设施安全。研究低坝对弯道水流特性的影响,可探讨低坝对于弯道水流灾害风险防治的作用。采用模型试验与数值模拟相结合的研究手段,参考岷江某支流部分弯道河段进行实体和数值建模,对比分析了建坝前后流速、凹岸水位、断面横比降等水流特征变化。研究结果表明:低坝有效减小了弯道水面横比降和流速,同时降低了凹岸水面高度;在模型试验条件下(河床比降在0~52.5‰之间),建坝后相比于建坝前,流速、凹岸水面高度和弯道横比降降幅分别在6.7%~31.8%、3.7%~26.5%和9.8%~34.8%范围内,并给出了建坝后弯道横比降的预测公式。研究结果为弯道河流的洪涝灾害防治提供了科学参考。

U形弯道水流试验及其数值模拟

弯道水流运动是河流动力学研究的基本问题之一,长期以来,其复杂的三维水流结构一直是研究者关注的重点。弯道水流在重力及离心力的共同作用下,形成弯道螺旋流,与顺直河道相比,具有特有的运动特性,主要表现在产生水面横比降、横向环流、流速重分布等方面。用声速多普勒流速仪(ADV),对室内U形弯道水流结构进行了详细的测量,分析表明弯道环流出现了较为明显的双涡二次流变化过程。此外,试验验证结果表明雷诺应力模型(RSM)能较好地模拟弯道环流双涡二次变化过程,为深入分析弯道水流特性及其对泥沙运动、河床演变等影响问题提供了科学方法。

丁坝对弯道水流影响的分析

采用三维声学多普勒流速仪对弯道内有、无丁坝两种工况下的水流特性进行了系统的试验研究,总结了弯道水流水面横比降、横向环流、流速重分布等特性,重点分析了丁坝对弯道水流流态的影响,进一步证实了丁坝的护岸机理,为相关的工程实践提供理论依据。

弯道水流对下游回水响应特征试验研究

弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。通过U形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。

弯道水流紊动强度

采用先进的三维声学多普勒流速仪对水力光滑壁面的弯道水流紊动特性进行了系统的试验研究 ,较为全面地测量了弯道水流的三维时均流速和脉动强度等 .根据试验数据 ,探讨了弯道水流的紊动机理 ,分析了弯道水流的紊动特性 ,得出了弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式 ;同时还对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行了比较 .

复式断面明渠弯道水流三维雷诺应力模型数值模拟

采用数值模拟方法研究了复式断面和矩形断面60°弯道明渠的流场结构。自由水面的捕捉采用VOF(Volume of Fluid)法,雷诺时均N-S方程采用雷诺应力模型封闭。对两种断面渠型水力特性的模拟结果进行了比较,结果表明:复式断面弯道明渠在弯道横断面上存在着多涡结构;滩地上的流速大于主槽上的流速;凹岸和凸岸上的自由液面水位差要比矩形断面的小;水流在渠底的横向运动强度要比矩形断面的大;弯道内外侧的压力差也与矩形断面有所不同。

一种改善溢洪道陡槽弯道水流流态的措施研究

水库溢洪道受其地形、地质条件限制,在陡槽段不得不设置弯道。针对云南省某水库溢洪道,通过水工模型试验研究,水流通过陡槽弯道后产生了不对称冲击波,水流分布极不均匀,水流流态紊乱,下游消能能力严重不足。为解决这些问题,经反复试验,最终在陡槽弯道段底部垂直布置了四道斜槛。采用这种工程措施,起到了消减急流冲击波,改善陡槽弯道水流流态,提高下游消能能力的良好效果,可为同类工程提供一定参考。

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。

弯道水流纵向垂线平均流速分布的计算

弯道水流特性是水利界感兴趣的重要研究课题。而弯道水流纵向垂线平均流速的分布则是其重要内容。运用弯道水流概化模型试验,利用先进的ADV进行了三维流速数据的采集,从中提取了纵向流速参数。基于作者提出的弯道水面横比降与纵比降的沿程分布公式,经理论推导得到了弯道水流纵向垂线平均流速分布的计算公式。研究表明,公式与实测资料吻合良好,为进一步深入探讨弯道水流特性奠定了理论基础。

丁坝对弯道水流水力特性影响的研究

针对丁坝对弯道水流水力特性影响的问题,建立了相应的概化模型,通过数值模拟的方法,利用RNG k-湍流模型封闭Reynods方程,VOF法追踪自由表面,通过有限体积法离散求解,模拟研究了不同弯道中心角情况下,丁坝对弯道水流横向水面超高和流速场的影响。结果表明:在丁坝影响下,弯道水流水面横比降计算公式需要进行修正,应当考虑丁坝对河道的束窄、丁坝尺寸和弯道角度等综合因素的影响。

急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究

在河弯处修建水工建筑物时,研究弯道水流特性对水工建筑物布置的影响十分重要。采用RNCκ-ε紊流模型对急弯段闸孔出流的弯道水流进行了三维数值模拟。通过模拟计算,比较分析了急弯段不同闸位、不同流量条件下闸孔过流时的流速分布、紊流动能、压强分布和环流等相关水流特性与变化规律。分析研究结果表明,闸坝位于弯道上游时,弯道对闸坝过流的影响最小,但需对闸坝下流弯道凸岸岸坡附近区域采取一定的防护措施;闸坝布置在弯道中游时,过闸水流受弯道的影响最小,闸室水流的稳定性、闸门的工作安全以及闸墩的空蚀破坏都是实际工程中需要注意的重点。数值模拟验证与物理模型试验结果吻合较好,计算精度较高,能够满足相关计算研究要求。

丁坝对弯道水流特性影响的数值分析

针对丁坝对弯道水流水力特性影响的问题,建立了相应的概化模型,通过数值模拟的方法研究了不同角度下丁坝对弯道水流特性、弯道水流横向水面超高和流速场的影响。结果表明,在丁坝影响下,弯道水流横向水面横比降计算公式应考虑丁坝对河道的束窄、丁坝尺寸和弯道角度等综合因素的影响进行修正,为深入探讨弯道水流特性奠定了基础。

常曲率U型弯道水流紊动特性试验研究

采用三维声学多普勒流速仪,对水流三维流速进行了采集,对弯道水流的脉动进行了统计分析,研究了典型断面的紊动强度、紊动切应力、紊动能的分布。试验结果能够很好的揭示弯道水流的三维特性及分布规律。研究成果为进一步研究水流的紊动结构及泥沙的运动机理提供了参考资料。

凤凰水库溢洪道泄槽弯道水流试验研究

受地形条件限制,凤凰水库溢洪道泄水陡槽中设置了弯道段,由于冲击波的影响,弯道内水流横断面水深分布极不均匀,水流紊乱。为改善水流条件,提出了在陡槽弯道段底板布置斜底槛以消减冲击波的方案,通过水工模型试验表明,设计斜底槛能有效改善弯道水流流态。

弯道水流环流结构的试验研究

建立了弯道水流概化模型试验,利用ADV对三维流速数据进行了采集。通过对弯道水流流速的分析统计,对弯道环流沿程变化和分层结构进行了初步研究。结果表明,环流结构在弯顶前后呈现出不同规律,并且存在沿水深上下分层的现象。研究为进一步深入探讨弯道水流特性奠定了基础。

基于Flow-3D的陡坡弯道水流三维数值模拟

弯道急流有其独特的冲击波现象,流态极其复杂,为研究弯道对急流的影响和提出改善措施增添了困难。采用RNG k-ε双方程紊流模型和VOF法,以某工程溢洪道为依托,利用Flow-3D软件,对陡坡弯道段的急流进行了三维数值模拟,通过物理模型试验数据的验证,显示数值模拟结果的正确性。通过计算结果,分析了陡坡弯道对急流流态的影响,提出了导流墙法的弯道急流优化方案,通过物理模型进一步证明,采用导流墙法可有效改善急流弯道水流流态,表明借助Flow-3D软件对弯道水流进行三维数值模拟是可行的。

四种紊流模型模拟弯道水流精度的对比分析

采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、可实现k-ε模型和Reynolds应力模型等4种经典的紊流模型,以连续弯道水流为对象进行数值模拟.根据水槽试验资料,从弯道水流纵比降、横比降及纵向流速分布等方面,对比分析了4种模型模拟结果的精度.认为Reynolds应力模型能更好地再现弯道中复杂的三维紊流特征,具有较高的精度,模拟结果优于标准k-ε模型、RNG k-ε模型和可实现k-ε模型.以单弯道水流为对象,从沿程水面线、纵向流速沿垂线分布、紊动能沿水深分布及环流强度分布特性等方面,检验了Reynolds应力模型的精度.发现在模拟岸边界变化引起的二次流现象时,Fluent软件中的Reynolds应力模型效果优于其他3种紊流模型.

感潮河段弯道水流的水力特性

网走湖水质主要为生物化学污染。论文利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和咸水温度及深度测量仪(STD),于1996年的4月和8月在该湖出口下游河道的一个180°弯道处分别对三维流速场和咸淡异重流进行了原型观测。结果表明:在4月的融雪季节,从湖里流出的淡水主要为由上游流向下游的单向水流流动,且其流速u为矩形分布,量值与潮位有关;环流流速v与u值密切相关,下层流向指向凹岸。在8月的春潮季节,主要为上淡下咸且主流流向不同的成层异重流流动,且u的分布及流速梯度随着流向的不同而不同。经过观测数据与计算值的比较表明:融雪季节观测的主流和环流流速分布与理论计算值十分接近;春潮季节观测的环流流速表现为:(1)上、下层中的环流方向相反;(2)除过渡流外,环流强度与理论计算值较为接近。含盐度分布特征也因水流条件的不同而不同。

透水斜槛参数对溢洪道弯道水流改善效果的影响

为研究溢洪道泄槽弯道布置不同透水斜槛的水流改善效果,进行室内水工模型试验,对不同透水斜槛方案的弯道水流改善效果进行分析比较。结果表明:弯道布置透水斜槛能够改善水流条件,提高弯道水面均匀度,减小横断面水面差;当透水斜槛较高、条数较多而流量又较小时,将出现弯道凸岸水面高于凹岸的现象;利用回归分析方法,建立了考虑透水槛高、斜槛条数及透水率等参数的弯道水面改善效果预测模型,可供工程设计参考。

明渠弯道水流三维数值模拟

采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,其中动量方程的雷诺应力项用k-ω涡黏紊流模型求解,结合VOF方法跟踪自由水面,运用Fluent软件模拟了明渠180°弯道水流的三维特性。通过将数值模拟的水位结果与试验资料进行比较,表明数值模拟能够有效地预测弯道水面高度的变化范围以及水面横比降的主要影响范围;同时分析了弯道水流不同水深的平面流场和典型断面弯道环流分布。