竖井式贯流泵进出水流道优化CFD仿真计算

结合引江济淮工程(河南段)赵楼竖井式贯流泵站进水流道、出水流道优化,应用CFD(计算流体动力学)技术对赵楼泵站进、出水流道,叶轮,以及导叶内的流动进行三维紊流数值模拟,确定了综合考虑泵段性能、超声波流量计安装要求和土建投资的进出水流道优化方案。研究结果表明:进水流道竖井头部和尾部的收缩曲线影响流线流速分布;减小进水流道竖井总长度,同时,竖井头部形状为渐变收缩、尾部形状为圆弧的进水流道方案总体水力性能较好。直管式出水流道的断面面积及断面平均流速变化均匀,并且水力损失较小。研究结果可为大中型竖井式泵站的进、出水流道优化提供理论参考。

基于阻力规律视角的水流能态区辨识

高、低水流能态区形成条件不同,其识别对于预测动床阻力具有重要意义。基于量纲一阻力方程推导了一个新的高、低水流能态区判别函数,包含悬浮数和水流作用数2个量纲一参数,提出了能态转变角和能态转移路径的概念,从流动阻力角度重新审视了水流能态区分问题。通过国内外4176组水槽和野外实测数据对该函数进行率定,确定了高、低能态区的临界方程。研究结果表明:该方法低能态区预测精度约为91%,高能态区约为85%,综合精度约为89%;在细沙河流中,随着水温的降低,更易发生水流低能态向高能态的转变。本文建立的判别函数不仅可高精度识别水流能态区,还可分析水温对能态区过渡的影响。

抚河疏山水利枢纽船闸通航水流条件研究

为满足水运需求,解决船闸引航道口门区受河段地形和涉河建筑物影响而导致的通航条件困难等问题,保障船舶安全通行,以抚河疏山水利枢纽船闸工程为例,采用数值模拟方法,对枢纽船闸上游引航道口门区通航条件进行计算分析,针对不良流态问题提出优化方案措施,并对方案前后枢纽通航条件进行对比分析。研究表明,调整船闸平面布置等措施对改善设计阶段的枢纽船闸上引航道口门区通航条件是有效的。研究成果可为抚河疏山水利枢纽船闸工程通航及其他类似河段工程提供技术支持。

数字孪生水利赋能水流资源确权登记应用与探索

数字孪生水利建设、水流资源确权登记分别是水利部门、自然资源部门近期开展的重大工程项目之一,两者在实现基础地理数据共建、共享方面均有很大的需求。为解决水流资源确权登记工作所面临的重点和难点问题,通过数字孪生水利建设的技术手段、工作思路及其统一的数据底座,助力水流资源确权登记完成异源数据的同构,借助三维场景提高外业调查效率,实现登记单元范围的精准划定。结合近年来所从事的工作实际和部分典型案例,详细论述了不同的实现路径、应用方向和实施效果,为后续水利行业与自然资源规划行业更广泛的深度融合提供了一定的实践价值。

《港口工程荷载规范》船舶水流力计算公式的修正方法

随着船舶大型化和停泊水域动力环境复杂化,利用现行JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》附录F计算船舶水流力时,发现公式中存在诸多缺陷,主要为:1)相对水深适用范围窄;2)水流流向角分区段计算方法不统一;3)纵、横向水流分力的作用点不明确;4)引用相关数据缺陷等。严重制约标准规范的推广应用。因此,基于标准修正专项的研究,通过收集比对国外标准和规范等资料,以及结合笔者前期所开展大量船舶物理模型试验结果等方法,得到了将现行规范水流力计算公式中相对水深适用条件由1.5扩大至6.0;提出了以船舶中心为力作用点的新坐标系下,采用横向分力、纵向分力和偏心力矩3部分组成的水流力计算修正方法,满足了规范修正目的。

基于水流特性的桥区船舶通航风险分析

为评估桥区船舶通航风险,构建考虑船舶运动特性的三维流场模型,研究水流影响下船舶过桥行为的偏航特性和受力特性.确定桥梁和船舶的通航风险评估分级标准,建立了基于模糊逻辑的船舶顺流通航风险评估模型.结果表明,桥墩间距风险等级划分临界值为40和60 m,具体分级标准因水期的不同而异.船速在枯水期、中水期和洪水期的低风险范围分别为1.6~2.5、2.0~2.5和1.6~2.0 m/s.洪水期通航风险高于其他时期,主要表现为通航尺度受限时的撞桥事故.相比于传统评估模型,所提模型根据船舶直接受力与运动表现来确定桥梁、水流和船速等因素分级标准,简化了评价指标体系,降低了模型主观性.

地下泵站进水流道数值模拟与方案优化

以典型地下泵站的进水流道为研究对象,建立数值仿真模型,分析设计方案的水力特性及存在不足,并给出优化方案.研究结果表明:在原方案中,外侧水泵进水管入口中心和圆洞出口中心的连线与来流方向的夹角达到70°,水流大角度偏转,并在进水管入口出现脱流现象,水头损失系数达到2.31~2.44,水泵进水管出口的流速分布均匀度为95.09%~96.80%,速度加权平均角为86.51°~87.41°,原方案的圆洞突扩进入压力罐,然后突缩进入水泵的进水管,且压力罐内无任何导流措施,致使局部流道产生了较大的水头损失;优化方案提出了“集管+岔管”的分流措施,通过2个60°弯头实现水流流向的偏移,平面和垂直方向均没有突扩或突缩结构,水头损失系数减小至0.93~1.07,优化方案不仅改善了流道的水力性能,也避免了开挖、衬砌压力罐.研究结果可为类似地下泵站进水流道设计提供一定依据.

无阀纳米泵中水流的反常堵塞

对于颗粒物质,在锥形通道的窄口处容易发生堵塞现象,实验中通常利用机械振动进行疏通.而对于无孔不入的水却不同,即使在纳米尺度的碳纳米管中仍然可以快速通透.本文利用分子动力学模拟研究了由锥形碳纳米管与石墨烯平面构成的无阀纳米泵,发现水输运在一定条件下也会出现反常堵塞.与颗粒物质截然不同的是振动方法无法恢复水流,相反,它促使水在纳米水泵的通道窄口处发生堵塞.通过分析堵塞区水的密度分布、氢键寿命、水分子的结构特征,揭示了反常堵塞是由腔体中振动膜的高频振动引发水的结构相变造成的.

两坝间河道高含沙水流驱动的下游船闸阀门井水位异常特征分析

葛洲坝船闸充水阀门井与输水廊道进水口水体相连,1993年洪季期间曾发生过阀门井水位异常升高,影响船闸设备设施安全等问题。为分析葛洲坝一号船闸充水阀门井水位异常升高的根本原因,基于Mike三维水沙数值模型,模拟分析了不同流量和含沙量级别下的河道水流和含沙量垂向分布结构特征,进而计算阀门井水位异常升高值与河道水流和含沙量的关系,反演1993年洪季葛洲坝一号船闸两个阀门井出现的水位异常现象。研究结果表明,葛洲坝一号船闸阀门井水位异常超过阈值0.5 m的流量和含沙量条件分别约为(30 000 m^(3)/s, 2.85 kg/m^(3)),(40 000 m^(3)/s, 1.42 kg/m^(3)),(50 000 m^(3)/s, 1.23 kg/m^(3))。受三峡水库及上游梯级水库蓄水拦沙、退耕还林政策等因素的影响,未来葛洲坝船闸出现高含沙水流导致阀门井水位异常升高>0.5 m的可能性极小,但在三峡水库排沙泄洪期间仍应引起重视。研究成果可为葛洲坝一号船闸安全营运和科学管理提供参考依据。

水流输入对大比降入湖三角洲演化的影响评估试验

三角洲是河流携带泥沙入湖或入海时泥沙沉积形成的一种河口地貌。当三角洲上游地势相对较高、整体纵比降较大时,局部沉积体具有冲积扇的特性,三角洲演化过程表现出复杂系统的不确定性。通过进行重复自然模型试验,评估了两种不同流量水流输入对大比降三角洲沉积体形成演化的影响。基于三角洲沉积体横断面结构的多峰高斯函数拟合及其特征参数时变波动性的统计分析,结果表明,在小流量条件下三角洲上游堆积体具有多方向发展的不确定性,在大流量条件下堆积体具有纵向多层级结构化发展的不确定性特征。

薄层水流冲刷条件下斜坡土体的临界起动

斜坡土体侵蚀是丘陵地区和水库岸坡普遍存在的灾害现象,其主要动力因素是降雨或者波浪上爬产生的薄层水流对土体产生的冲刷剪切作用。为探索水流冲刷作用下的斜坡土体临界起动条件,采用自主研发的冲刷起动试验装置,开展斜坡土体的冲刷起动试验和理论研究。通过颗粒染色和高倍数电子显微等技术手段观测无黏性土颗粒的起动现象,确定了无黏性岸坡土体的起动模式与水流流速的相互关系;探索了不同干密度、不同黏粒含量及不同坡度与黏土斜坡临界起动流速的相互关系,土体的黏粒含量、干密度及坡度对黏性土体的起动流速影响较大,与干密度和土体坡度相比,黏粒含量对黏土斜坡的起动流速影响更为明显。验证了无黏性岸坡土体的临界起动方程,其中滚动起动流速方程具有较强的可靠性;基于黏土的起动模式构建了黏土斜坡的起动力学平衡方程,获得了黏土斜坡半经验半理论的起动流速方程,用试验结果求解了起动流速方程的相关参数,最终确定的起动流速公式与试验结果拟合度较好,同时验证了起动流速公式的可靠性。

喷水推进器进水流道在来流含气条件下的内部流动特性分析

为了研究喷水推进器进水流道在来流含气条件下的内部流动特性,以轴流式喷水推进器为研究对象,对喷水推进器在不同来流含气条件下进行全流域定常数值仿真,得到了不同来流含气条件下进水流道各截面气相体积分数分布特征和不均匀度变化规律.计算结果表明:在低航速区间时,进水流道内流量小、流速低,受管道几何结构影响,下部弯管处流体堆积现象明显,随着航速的升高,流量增大、流速提高,流体在上部弯管处产生流动分离,导致堆积区向上部弯管转移;在来流含气条件下,进口含气率和气泡直径的增大,会导致气液两相干涉作用变强,造成气体堆积现象加剧,影响流面的不均匀度.

水流、波浪作用下复杂桥墩动力响应

为了明确水流和波浪作用下复杂桥墩动力响应特点,以某4柱桩柱式框架墩连续梁为依托,运用ANSYS建立桥梁(墩)-水耦合数值分析模型,分析桥墩在水流作用下绕流,对单墩和桥跨结构中该墩在不同流速、不同波高以及波、流联合作用动力响应进行研究。研究表明:绕流分析显示各墩柱速度场和压力场不对称;水流单独作用时,动力响应均随着流速和水深的增加而增大;与单墩相比,由水流产生的桥梁结构中桥墩动力响应小,且动力响应随流速和水深增加而逐渐增大;波浪单独作用时,单墩和桥梁结构中桥墩的动力响应均在波峰作用时产生最大值,在波谷作用时产生最小值;随着波高增加,桥墩和桥梁动力响应在波峰和波谷处动力响应最值随之增大;随着入水深不断增加,波浪对单墩和桥梁结构中桥墩的动力作用越显著;波、流联合作用时,桥梁结构中桥墩动力响应均随着波高和水深增加而增加,波峰时动力响应最值随着流速增加而增大,波谷时动力响应最值随着流速增加而逐渐减小,水流影响系数最大12.96%,表明波浪在动力响应中起主导作用;波浪波向和水流流向相同时,波、流联合作用动力响应并非两者单独作用叠加。

不同开挖条件对山区挖入式码头通航水流条件影响分析

开挖进出港航道与港池将会改变河道原有的河床地形高程,进而改变其原有的水动力条件及其泥沙冲淤状况,对通航条件造成影响。以犍为孝姑码头为依托,采用Mike21建立二维水沙数值模型,分析开挖进出港航道和港池工程前后,以及改变进港航道的深度、宽度、角度等之后的水流运动形态和泥沙淤积的情况。结果表明:开挖进出港航道和港池后对原有的主航道整体水流和泥沙条件影响较小,对船舶进出港的通航条件影响较小;不同的开挖条件对进出港航道和港池的水沙条件影响不同,不同开挖角度对孝姑码头的水沙影响较大,30°布置形式更能满足孝姑码头的通航水流条件。

交汇区水流结构对水温分布特征的影响机理

为分析交汇区复杂的水温分布规律及其受水流结构影响的机理,采用Fluent数值模拟软件,通过改变汇流角和汇流比,模拟了不同条件下交汇区的时均流场、紊动特性和水温分布,分析了各工况下交汇区水平面及断面水温分布特征(水温非均匀性指数)和水流结构特征参量(紊动能和涡量)间的关系,探究了不同水流结构对水温分布的影响机理。结果表明:水流剪切影响热掺混层的位置,二次环流影响热掺混层的形态;汇流角或汇流比越大,断面非均匀指数越小,水温掺混越快,热掺混层随剪切层位置的改变越靠近外岸壁(交汇口对侧壁面),热掺混层弯曲程度随二次环流强度增大而增大;紊动能及涡量与断面非均匀指数之间呈现良好的线性关系。

智联无人船内河水深测量与抗水流能力评估

利用无人船无验潮测深与网络RTK技术开展内河水深测量试验,并从测深精度、路径跟踪及最大抗水流能力三个方面评估该自主研发无人船性能。结果表明,无人船水深测量精度高,满足相关规范要求,且无人船在水流速<2.0 m/s条件下,抗水流速能力强,路径跟踪精度良好,外业作业最大抗水流速安全阈值为5.0 m/s。

基于水流牵引力的河道岸坡稳定性分析

基于极限平衡理论,结合水平条分法,将Bishop法的竖直条间力关系转换到水平土条上,推导出水流牵引力作用下均质岸坡稳定安全系数的理论计算公式,将其结果与ABAQUS有限元软件的强度折减法模拟的计算结果进行对比分析。结合工程实际,分析水流牵引力对不同坡比河流岸坡的稳定性影响规律。结果表明,理论计算公式与软件模拟的结果基本吻合,误差不超过2.1%。河流中水流牵引力会增大岸坡土体的下滑力矩,降低河流岸坡土体稳定安全系数;当岸坡土体遭受降雨、坡脚土体劣化作用等多因素作用下而处于临界稳定状态时,水流牵引力可能成为滑坡启动的关键因素;在河流岸坡失稳滑动时,水流牵引力将导致滑体向河道方向滑移更远距离,加重滑坡对河流航道安全的危害;坡度越陡,岸坡稳定安全系数受水流牵引力的影响越大。在进行高陡河流岸坡稳定性分析时,水流牵引力是与强降雨、泥石流等因素同样重要且不可忽视的导致岸坡灾变失稳的外部荷载作用。

基于拟水流算法在移动机器人路径规划中的应用

针对传统算法在移动机器人路径规划中存在搜索效率低的问题,提出了一种拟水流算法。该算法利用主流点搜索模型得到所有主流点。从起点逐步流动,通过拟水流避障算法和拟病毒算法进行避障,直至终点,并平滑处理所得路径。通过栅格法对多种地图环境进行建模,将拟水流算法与蚁群算法、Dijkstra算法、Floyd算法和A^(*)算法的路径长度及运算时间进行对比仿真实验。实验结果显示,与获得最短路径和最少时间的A^(*)算法相比,拟水流算法获得的平均路径长度减少了2.40%~6.30%,平均用时减少了35.71%~53.51%。最后,将拟水流算法应用于移动机器人Turtlebot2,并与A^(*)算法进行了对比实测实验。实验结果显示,拟水流算法相较A^(*)算法,实测路径增加了3.83%,寻路时间减少了10.77%,拐点数减少了42.86%。

生态浮床布设下明渠水流结构及阻力特性试验研究

生态浮床已广泛运用于城市河道净化工程,但浮床布设改变了原河道断面水流结构,增加水流阻力,可能降低河道行洪能力。现有研究主要针对浮床水动力学特性分析,而关于浮床引起的水流阻力变化定量研究较少。为此,通过水槽试验研究了浮床刚性植物在10、20、30 cm三种淹没深度及平行、交错两种布置方式的组合工况下对水槽断面水流结构产生的影响。由于传统的曼宁公式无法直接用于浮床覆盖区糙率系数的求解,基于等效断面原理增加浮床阻力项,求解浮床覆盖区综合糙率与刚性植物附加糙率。结果表明,淹没深度越大,浮床阻水效果越强;交错布置方式比平行布置方式更增加水流阻力;浮床刚性植物在平行布置条件下断面综合糙率在0.381~0.417之间,交错布置条件下断面综合糙率在0.397~0.427之间,断面综合糙率随植物淹没深度和布置方式的变化而变化。

五里堠井田煤层气井单相水流阶段合理降幅的确定

为了确定煤层气井单相水流阶段的合理降幅,最大化地保证煤层气井的水压传播距离,以五里堠井田煤层气井为研究对象,对研究区地下水势进行计算,拟合得出地下水势与平均日产水量的关系;以研究区地下水势平均值为界限,将研究区地下水势分为高地下水势和低地下水势,分析了高地下水势区、低地下水势区煤层气井产水特征差异。基于地下水势、地层供液指数、单相水流阶段压裂液量返排率的关系,建立了单相水流阶段合理降幅数学模型,研究区排采数据验证了模型的准确性。在此基础上,根据研究区地下水势差异性,预测了相应的单相水流阶段合理降幅范围。研究结果表明:研究区地下水势与平均日产水量为正相关关系,不同水势区煤层气井产水特征差异明显,其中,高地下水势区煤层气井排采初期日产水量增长迅速,排采中后期日产水量衰减明显;低地下水势区煤层气井排采初期日产水量增长较慢,排采中后期日产水量无明显变化。单相水流阶段,随着地下水势的增加,地层供液指数、压裂液返排率也随之增大;不同地下水势区域,单相流阶段合理降幅范围不同。研究区东北部及中部,单相水流阶段合理降幅范围为0.018~0.024 MPa/d;研究区西北部、南部,单相水流阶段合理降幅范围为0.007~0.017 MPa/d。该研究成果为未投产区及相似地质条件下煤层气井单相水流阶段排采制度的制定提供了借鉴与指导。