潜坝对90°等宽明渠交汇口污染物运输过程的影响研究

水流交汇现象在河流水系中普遍存在,支渠高浓度污染物的汇入会导致干渠下游水质污染,威胁到下游各地区用水安全。建立90°等宽明渠交汇口二维水动力水质耦合模型,研究提出通过在明渠交汇口附近布置潜坝的工程措施增强污染物混合从而降低污染物浓度。对不同潜坝位置、长度、高度共14种工况进行数值模拟。研究结果表明,在交汇口附近布置潜坝可以加速污染物混合,进而降低污染物浓度极值;潜坝加速污染物混合扩散的主要机理是潜坝产生的横向流速区及回流区加剧了水体对流作用,促进了污染物的混合;在交汇口下游干渠右岸布置潜坝对污染物的混合加速效果明显;当潜坝长度为1/2河宽时,对污染物的混合最有利;潜坝越高,效果越好;在合适的潜坝布置工况下,明渠出口断面污染物浓度变异系数降低了46%,最大污染物浓度值降低了33%,效果明显。

明渠交汇口水流分离区研究

支流汇入主流后,在明渠交汇口下游附近形成分离区,造成过流断面束窄。采用水力学基本理论及试验手段,对等宽明渠交汇口水流分离区的形状及尺寸进行了理论分析和试验研究,提出了分离区收缩系数及能量损失系数的理论表达式并与试验结果进行了比较。研究结果表明,随交汇角或主支流流量相对大小不同,分离区尺寸发生变化;对于给定交汇口几何形状及尺寸,分离区形状基本保持不变,但分离区尺寸随流量比变化并具有较好的相关关系,并随交汇角增大呈有规律增加。

等宽明渠交汇口水流一维数学模型

本文采用理论分析及试验手段,对等宽明渠缓流交汇水流进行了研究。对交汇口流动的各种影响因素进行了量纲分析,确定表征流动特性的主要物理量。根据水力学基本理论,建立了交汇口上下游水深比的普遍方程,方程中考虑了动量修正系数、动能修正系数、支流汇入角等影响因素的影响,并对水深比与交汇角、流量比及水流Fr数之间的变化关系进行了讨论。解析表达式的计算结果与实验结果符合较好。

90°明渠交汇口三维水力特性数值模拟

明渠干支流交汇口包含了许多重要的水流现象,在污水处理厂和过鱼建筑物等水利设施中经常遇到。本文采用k-ω紊流模型对90°明渠交汇口三维流场进行了模拟,运用双曲正切扩展函数法构造动态网格来跟踪自由水面,将模拟的结果与实验数据进行了对比,吻合良好,成功捕捉到了交汇口水面变化及二次流等主要水流特性。分析了交汇口分离区形状参数、支渠入流角及断面收缩系数与干支渠流量比之间的关系,并与前人的研究成果进行了比较。

明渠交汇口水流及污染物输移数值计算

针对明渠交汇口流动特性应用深度平均H L紊流模型和污染物传输方程建立了明渠交汇口水流流动及污染物输移模型;采用有限体积法离散格式及交错网格上的水深-速度校正算法进行了数值计算并应用实测资料对数值模型进行了验证。计算结果与实测资料吻合较好,表明所提出的模型能较好的预测交汇口水流分离区及污染混合区形状及大小。

等宽明渠交汇水流数值计算

针对明渠交汇口缓流流动特性,分别应用水深平均H-L模型及k-ε模型建立了二维数值模型.水深方向采用静压假定,可模拟自由面和河床地形变化;应用交错网格上的有限体积法对方程组进行离散并采用水深速度校正算法求解;每个代数方程求解采用TDMA逐行扫描法;针对交汇口几何特征,分区进行网格划分.应用实测资料对两种模型进行了验证比较,结果表明两种模型均可模拟明渠交汇口基本流动特性,但H-L模型所得的分离区计算结果比k-ε模型更为准确.

不同交汇角度明渠交汇口三维水力特性的大涡模拟研究

采用气液两相流混合模型对不同交汇角度下等宽明渠交汇口三维水力特性进行了数值模拟研究。选取大涡模型(Large Eddy Model)封闭两相流时均方程,求解速度与压力耦合方程组时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法。将交汇角度为90°时采用大涡模型计算得到的纵向截面水面线和不同测线上的速度分布与文献中的试验结果相比较,两者吻合良好,且水面线高度误差在4.2%以内,由此可见大涡模型是模拟交汇口水力特性的有效方法。进而将大涡模型用于模拟交汇角度为30°、45°、60°的交汇口水流,得到交汇口处的水深变化及流场的分布规律,并定量分析了交汇口下游各横断面流速不均匀系数的分布规律。结果表明:在整体上交汇角度越大,交汇口各特征横断面流速不均匀系数越大,即水流流速分布越不均匀。

等宽明渠交汇口壅水特性数值模拟

为研究不同交汇角度θ和流量比q对明渠交汇口壅水特性的影响规律,利用体积函数法(VOF)追踪自由表面,采用雷诺应力模型(RSM)封闭控制方程,建立明渠交汇水流三维数值仿真模型,对3种流量比和7种交汇角的21种组合工况进行模拟研究,对交汇口附近的三维壅水形态进行分析。结果表明:由于支流汇入的顶托作用,上游区域内水位壅高,交汇区域内出现水面跌落现象;同一流量比工况下,随着交汇角的增大,上游水位逐渐增大,下游水面跌落现象越来越剧烈;对所有工况的上下游最小水深比h^*d和最大水深比h^*m进行计算,发现在本文研究的流量比及交汇角变化范围内,上下游最小和最大水深比均随着交汇角的增大而增大,随着流量比的增加而减小。最后,对上下游水深比的变化范围进行分析,得出结论:同一流量比工况下,交汇角增大,交汇口附近水面变幅增大;同一交汇角度工况下,流量比增大,交汇口附近水面变幅减小。

植被作用下明渠交汇水流特性数值模拟研究

水流交汇现象普遍存在于天然河网系统和水利工程中,其水流特性研究对河道治理、美化城市水环境等具有重要意义。利用Mike21FM模型对明渠交汇水流进行数值模拟,并采用水槽试验对该模型进行了验证,最后分析了明渠直角交汇水流在不同汇流比情况下及植被影响下的水流特性。结果表明,汇流比越大,交汇口上游水位越高,下游水位波动越大,主渠高流速区偏向交汇口对侧,低流速区位置到交汇口上游角的距离有所增加,同时分离区中心的流速减小。植被的存在使交汇口上游和下游水位均有抬升,且对分离区内的水位影响较大,同时,支渠流速偏转起始位置距交汇口距离较无植被时有所增加。

汇流比和入汇角对明渠交汇水流特性影响的对比研究

为探究汇流比与入汇角对明渠交汇水流水力特性影响的区别,首先通过45°明渠交汇水槽的试验研究了不同汇流比工况下交汇区的水流特性;然后采用RNG k-ε模型模拟交汇区水流的湍流流动;佐以标准壁面函数法处理近壁低雷诺数区域,对明渠交汇水流进行了数值模拟,并结合45°明渠交汇水槽试验对数值模型进行了率定。模拟结果显示,分离区的尺寸随着汇流比和入汇角的增大而增大。汇流比和入汇角对于交汇区流速分布影响的区别在于:汇流比变化对下游远处流速分布的影响较大,对入汇口附近断面的影响并不明显;而入汇角变化会对入汇口附近及其下游较远的区域造成较大影响。随着汇流比的增大,入汇口下游区域的流速不均匀程度也在增加;而随着入汇角的增大,流场的不均匀系数呈先增加后减小的趋势。

明渠交汇口水流浅水二维数学模型研究

针对明渠交汇口缓流流动特性,建立基于高性能有限体积数值方法、具有二阶精度的非恒定浅水二维水流数学模型。基本控制方程采用浅水二维水流方程;采用能够有效捕捉激波的高性能有限体积方法离散控制方程;采用了隐式方法处理阻力项,从而保证了模型的稳定性。采用非结构三角形网格系离散计算区域。最后,应用实测资料对两种模型进行了验证比较,结果表明该模型可模拟明渠交汇口基本流动特性,显示了对天然河流广阔的应用前景。

明渠交汇口三维水力特性大涡模拟研究

为了解决明渠水流交汇口河道冲刷、泥沙沉淤、污染物滞留等问题,必须探明其水力特性的分布规律.采用气液两相流混合模型,对不同汇流比下90°明渠交汇口三维水力特性进行数值模拟研究.分别选取大涡模拟模型(LES)和RNGk-ε模型封闭两相流时均方程,速度与压力耦合方程组求解时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法.将汇流比为0.25时两种模型计算的纵向截面水面线与实验结果相比较,得出大涡模型结合VOF法能更好地捕捉交汇口水面的波动情况;将大涡模型计算的不同垂直线上的速度分布与实验结果相比较,两者吻合良好.通过比较两种模型计算的特征横断面上的流线图,得出大涡模型能更好地捕获水流瞬时流动特性,动态再现二次流动结构,且大涡模型能够更好地模拟交汇口附近水力特性分布规律.