多级变径孔板螺旋流的水力特性及数值模拟研究

针对多级变径孔板水力特性的数值模拟研究较少的现状,引入收缩角与扭转角概念,构建新型多级变径孔板,基于前期物理试验,通过数值模拟定雷诺数、变收缩角、变扭转角的多种组合工况,对该装置内各监测断面的三相速度、装置内空化数的沿程变化规律及装置的消能率进行分析。结果表明,定收缩角时,随着扭转角的增大,轴向速度的波动程度逐渐减弱,切向速度和径向速度虽有逐渐增大的趋势,但整体波动相对较小;定雷诺数时,同一断面处的空化数随收缩角或扭转角的增大而减小;该装置的消能率随扭转角增大而增大,随收缩角增大而减小。在研究的8种组合工况中,收缩角为15°、扭转角为12°时该装置的消能率最优。

多级变孔径孔板内消能工的物理模型试验与数值模拟研究

长距离有压输水管道系统面临地形地势复杂、山川落差大及高水头等问题,在下游区需要对其进行降压、消能处理。孔板消能装置作为一种新型的内消能工,具有结构简单、消能效率高等优点,在水利工程中得到了广泛应用。本文构建了一种变孔径孔板消能装置,运用物理模型试验与数值模拟相结合的方法对该装置在不同方案下的消能效率、过流能力及流速变化情况进行了分析研究。结果表明:当流速一定时,通过减小孔板收缩角或增大扭转角皆能明显提高消能效率,而过流能力明显减小;相反地,通过增大孔板收缩角或减小扭转角皆能明显减小消能效率,而过流能力明显增大。本文建议该消能装置孔板的组合方式为扭转角6°、收缩角30°,该成果可为长距离有压管道输水系统设计提供理论依据和参考。各方案下水流靠近孔板组合段之前靠近管轴中心处的流速较大,而靠近管壁处的流速较小,在孔板组合段之后可清晰地观测出两股强烈的射流,之后又趋于稳定。

基于SPH方法双消浪室开孔沉箱数值研究

基于修正光滑粒子法(CSPM)和黎曼解修正后的光滑粒子流体动力学(SPH)方法,建立模拟波浪与开孔沉箱相互作用的数值水槽模型,通过理论解和数值结果对比,验证其准确性。研究消浪室相对宽度B/L、相对波高H/L、相对水深d/L因素对双消浪室开孔沉箱的反射系数Kr以及静水位处所受的波压力p的影响,并对水粒子出入消浪室复杂的过程进行研究。结果表明,在研究工况下,消浪室相对宽度B/L与波压力p呈现非线性关系,反射系数Kr随着消浪室相对宽度B/L增加而减小;相对波高H/L对波压力p和反射系数Kr影响较小;随着相对水深d/L增加,波压力p逐渐减小,反射系数Kr表现为先减小后增大的非线性特征。前消浪室水粒子相对后消浪室运动情况更为剧烈,水平速度较垂直速度变化较大,在开孔位置附近水粒子速度变化明显。

消能孔板空化特性的数值模拟

采用大涡模拟方法对消能孔板流场及空化现象进行了数值模拟 ,研究分析了消能孔板空化特性 ,计算所得的压力分布及空化特性与减压模型实验结果进行了比较 ,二者符合良好。计算结果表明 ,采用大涡模拟方法模拟空化是可行的。由于数值模拟不仅可以给出详细的流场特征 ,而且不受比尺效应影响 ,故可成为研究空化问题的有力手段。

孔板消能问题数值研究

孔板消能是一种新型的内消能方式,其消能机制仍需进一步研究。已有的定性研究表明消能系数K的主要影响因素为:雷诺数Re、孔径比d/D和孔距比L/D。运用标准k-ε模型进行数值模拟定量研究各影响因素的作用发现:对于不同孔径比的模型,当Re<105时,K随Re增加而急剧增加;而当Re>105时,流动可视为充分发展的紊流,K渐趋于稳定;孔径比越小,消能系数K和漩涡区长度L1越大,且变化函数关系可视为直线分布;当孔距比L/D<5时,总消能系数随孔板间距离增加而显著增加,而当孔距比L/D>5时,总消能系数趋于稳定,L对K的影响可以忽略。使用孔板在管道内产生突扩水流,可以在较短的时间和距离内消除较多的能量。

竖井孔板泄流消能塔的水力与振动试验

简述了导流洞改建为永久泄洪洞时的不同消能方案和井式溢洪道的特点，给出了竖井与多级孔极组合式泄流消能塔的水流与振动试验实例，振动试验时模拟了塔基的力学特性，具体试验虽是针对一尾矿坝进行的，但这种结构形式和试验结果对水利工程设计也有一定参考价值．

小浪底水利枢纽孔板泄洪消能研究

黄河小浪底水利枢纽在世界上首次大规模采用多级孔板消能 (Multi- Orifices Energy Dissipation)技术 ,把 3条大直径导流洞改建为永久泄洪洞 .在小浪底多级孔板消能泄洪洞的设计中 ,对消能室内的流态、流速和压力变化规律进行了试验 ,对孔板消能水头损失系数及其影响因素 ,以及孔板消能室空化问题进行了研究 ,并在碧口水电站直径 4.4m的排沙洞进行了小浪底孔板洞中间试验 .上述试验结果均表明 ,孔板消能效果显著、消能率高、消煞的能量大多数转化为热能被水流带走 ,并因孔板消能大大降低了洞内断面的平均流速 。

孔板消能工的体形对隧洞泄洪消能的影响

本文介绍了作者近期的试验研究和对国内外已有成果的综合分析，讨论了孔板消能工下游的时均压强沿程分布和能量损失系数同消能工体形因素如上游进口形状、下游出口形状、孔板厚度等的关系，分析了各因素的影响，并由此得出水力学意义上的几项界限：厚孔板与薄孔板的界限，孔板上游进口坡度及孔板下游出口坡度对能量损失影响的界限。

波浪与大开孔消浪结构作用非线性数值模拟

基于二维Laplace方程和边界条件,经过Green转换得到以势函数及势函数法向导数为未知量的积分方程。结合0-1混合型边界元和分区边界元方法建立一个适用于求解波浪与大开孔消浪结构相互作用的强非线性波浪变形数值模式,同时给出开孔板上波动压力的计算方法。通过数模与物模结果对比,该数值模式具有较好的精度,可应用于开孔沉箱防波堤消浪效果的计算和研究,其处理原则对其他低反射海工结构物计算也将有适用性。

随体网格数学模型在多级孔板消能工流场计算及布置优化中的应用

本文采用非正交网格有限体积法，建立模拟多级孔板洞内轴对称流动的随体网格数学模型。由于采用非正交网格，该模型可以准确地模拟孔板的实际体型。同时，在标准Ｋ－ε紊流模型的基础上，本文又根据紊动动能生成项与耗散项的比值大小，对Ｃμ系数进行修正，使计算结果与实测值符合良好。采用此模型对小浪底工程四级孔板比较方案的孔板间距、孔径比、孔板内缘圆弧半径等变化的影响进行了大量的、系统的研究，在较短时间内完成了方案的比选，从而为方案的决策提供了重要的技术依据。

小浪底工程孔板消能泄洪洞的设计优化

小浪底工程采用了由导流洞改建而成的新型多级孔板消能泄洪洞。新洞型的采用 ,解决了重复利用导流洞所带来的高水头、高流速的复杂技术问题。在多次水力学模型试验研究的基础上 ,孔板消能泄洪洞设计逐步优化和完善 ,主要研究的方案依次为 :①小圆塔进口 ,洞内设 5级孔板 ;②龙抬头进口 ,洞内设 5级孔板 ,其中第 5级为偏心孔板 ;③龙抬头进口 ,洞内设 5级孔板 ,出口设溢流挡水堰 ;④龙抬头进口 ,洞内设 4级孔板 ,孔板后设中闸室 ;⑤龙抬头进口 ,洞内设 3级孔板 ,孔板后设中闸室。

多层变孔径倾斜孔板式消波装置的试验研究

为了缩短波浪水槽内进行试验的"等水"时间,同时为实验室内波浪水槽中进行的相关实验研究提供更为接近实际的工作环境,提出了一种新型的变孔径倾斜孔板式消波装置,并对该装置的消波性能进行了系统的研究。通过物理模型试验,对该装置在不同波长、波高、水深条件下,孔板倾角、间距对反射、透射和消波系数的影响进行了较为系统的研究分析。另外,还对该装置在实际工作环境中的消波效果进行了探讨。研究结果表明:试验范围内,孔板倾角越小,消波性能越好;相对消波区域长度相近时,板间距适当减小有助于提高消波性能;该装置能极好地应用于实际消波工作。

多级孔板消能泄洪洞设计初探

多级孔板消能泄洪洞是在小浪底水利枢纽工程设计过程中提出的一种全新的消能工，鉴于国内外大型工程中尚无实践经验，经批准在碧口水电厂排沙洞内进行孔板消能的原型试验，任务主要是了解孔板的消能特性、水流空化及脉动情况、振动情况、孔板孔缘的保护措施和施工经验。试验取得了圆满成功，为多级孔板消能泄洪洞的设计积累了丰富的经验，也为小浪底工程将导流洞改建为永久孔板泄洪洞打下了坚实的基础。

孔板(洞塞)消能研究综述

孔板(洞塞)消能具有消能效率高和空化数大等优点。通过详细总结孔板(洞塞)消能的研究成果,认为如何优化孔板(洞塞)体型来提高消能效果和空化数,减少脉动压力,是个值得继续研究的问题。

顺层长钻孔“一孔两消”预抽消突技术研究

针对顺层钻孔定向钻进困难,钻孔轨迹难以有效控制,施工瓦斯治理巷道造成的瓦斯治理周期长等问题,提出了一种利用定向钻进技术的“一孔两消”预抽消突方法,有效控制了钻孔轨迹,保证了钻孔消突范围的均匀合理,解决了因施工瓦斯治理巷道造成的瓦斯治理周期长等问题,提高了钻孔的有效抽采时间,保证了足够的瓦斯治理时间和空间,有利于矿井的生产接替,同时对采煤工作面和运输顺槽进行区域预抽消突,节省了大量穿层钻孔工程量。

消浪孔沉箱的开孔封堵、溜放与安装施工技术

超大型消浪孔沉箱的建造、移运和安装对于施工设备和技术都是一个很大的挑战。以青岛港董家口港区北一突堤4#泊位工程为例,介绍沉箱消浪孔封堵采用内拉悬挂钢模板封堵工艺,克服了传统封堵方式的不足,实现了"中间隔墙消浪孔不封堵、沉箱候潮安装"的工法;同时介绍消浪孔沉箱在溜放、浮运和安装过程中的计算及施工关键技术。该工程的成功实践,为超大型消浪孔沉箱的移运和安装提供了借鉴。

多孔孔板流场特性及消能率数值模拟研究

山区管道输水面临高差大、高水头等问题,在下游区需要对其降压、消能处理。孔板结构简单,制作成本较低,消能率较高且能很好地满足工作要求,在节流减压方面应用范围越来越广。对于单孔以及多级孔板研究不乏其数,然而对于多孔孔板研究过少,为探究有压管道中设置多孔孔板后流场特性及消能率的变化,采用全局结构网格及全局非结构网格两种网格划分模式,并进行对比分析,采用Realizable k-ε模型对5种不同类型孔板进行数值模拟研究,并采用壁面函数法处理边界条件。研究结果表明:采用非结构网格与Realizable k-ε模型模拟结果与试验结果较吻合,最大的相对误差为6.81%。水流经过孔板,受其束窄水流作用的影响,水流运动状态发生改变,压力迅速降低,且在后方形成漩涡区,不同类型孔板后方漩涡区长度不同。多孔孔板消能率与开孔率、雷诺数密切相关,开孔率越小,消能率越高,消能率最高可达97.1%;消能率随雷诺数增大先迅速增大之后缓慢增大,最大增幅为7%;通过量纲分析与曲线拟合,还得到了多孔孔板消能率的经验公式,且计算值与实测值相对误差控制在±6%范围内。

泄洪洞两级孔板宣泄含沙水流消能及空化特性的原型试验研究

本文给出了碧口水电站排沙洞两级孔板消能效果及空化特性的研究成果。原型观测表明,两级消能孔板总的水头损失达原水头的30-45％,其消能效果是显著的,浑水时消能孔板初生空化数的量级接近于4.0。在孔板设计时,需认真考虑由于设置孔板引起的水流空化问题。试验说明,与清水相比,水流挟沙后对消能和防止空化是有利的。

多极消能孔板的数值优化研究

多极消能孔板是一种新型消能工。在管道或泄洪洞内设置多极孔板，使水流多次突然扩散，形成强烈旋涡，产生剧烈紊动，是消手能量，降低水头的有效而经济的手段。本文采用改进的Ｋ─ε模型对消能孔板进行数值模拟。探讨多极消能孔板的泄洪洞水力学特性和消能机理，结合极值搜索方法来求解最优化的孔板体型及空间布置方案。与前人的工作进行比较，本文结论合理有创新性。可见，用数值优化方法对多极消能孔板进行体型和整体布局研究是可行的，具有经济、简捷的特点。

多级消能孔板的数值优化设计方法

多级消能孔板是一种新型消能工,在管道或泄洪洞内设置多级孔板,使水流经过多次突然收缩和扩散,形成强烈旋涡和紊动,是消杀能量,降低水头的有效而经济的手段,本文采用改进的 k—ε湍流模型对消能孔板进行数值模拟,探讨多级消能孔板的泄洪洞水力学特性和消能机理,结合极值搜索方法求解最优化的孔板体型及空间布置方案的初试结果,并将结果与前人的工作进行比较,可以看出本文的结论是合理的,且该方法具有经济、简捷的特点。