齿墩长度对齿墩式内消能工水力特性影响的数值分析

为了探究齿墩长度对齿墩式内消能工水力特性的影响,使用Fluent软件中的k–ε数学模型进行数值模拟,并和前期物理模型试验的结果进行比对,验证了模型的准确性,进而对7种不同齿墩相对长度(相对长度η为齿墩长度l与管道内直径D之比)的内消能工的中心轴流速、时均压强、过流能力、消能率、紊动能和流场等进行了分析。结果表明不同相对长度齿墩式内消能工中心轴流速分布规律基本一致,除η等于0.1外,各方案中心轴峰值流速出现的位置相同,不随相对长度的变化而变化,均在齿墩进口后0.38D处;齿墩前后壁面时均压强变化较大,存在低压区;齿墩段后侧旋涡区内紊动能较大,且回流区长度随齿墩相对长度增加逐渐减小;在模拟范围内,流量系数随着齿墩相对长度的增加先增加后减小,η在0.2~0.9范围内流量系数较大,消能率的变化规律则相反;η大于0.9时,突缩突扩段旋涡区分离,此后随着齿墩相对长度增加,多余长度对消能的作用仅由沿程水头损失产生,对消能工消能率的贡献不大,可忽略。综合分析,相对长度为0.2~0.9范围内的齿墩长度较优,给齿墩式内消能工的体型优化提供了依据。

面积收缩比相同条件下不同体型齿墩式内消能工对管道内部水力特性的影响

为研究同一面积收缩比情况下不同体型齿墩式消能工对管道内部水力特性的影响,采用物理模型试验与理论分析相结合的方法,分析了5种方案消能工的消能率、过流能力、时均压强和脉动压强的变化特征。结果表明,面积收缩比相同时,方案3消能率最小,齿墩高度比不等于0.5时消能率随齿墩高度增加而增大,流量系数的变化规律则相反;时均压强系数在消能工进口处骤降,并在距离消能工进口4 D处逐渐恢复至稳定,但比消能工进口处低2.5~2.8,表明齿墩高度比对时均压强系数影响较小;脉动压强系数沿程基本呈双峰分布,双峰分别位于消能工进口和出口附近,第二个峰值最大值及最小值分别是方案2、3。综合分析后知方案2最佳,为推荐方案。

齿墩内表面不同的两种体型齿墩式内消能工的数值模拟

为了研究两种体型齿墩式内消能工对管道内部水力特性的影响,采用FLUENT软件中的κ-ε数学模型模拟分析了齿墩内表面为平面(体型Ⅰ)和齿墩内表面为圆曲面(体型Ⅱ)两种体型消能工的流场、压力场、紊动能及水力参数等。结果表明,相同流速下齿墩内表面由曲面变为平面会扩大压强变化段长度和减小消能工出口处低压区的压强,且在大流速时体型Ⅰ在该区出现负压;消能工出口管壁附近会出现漩涡区,齿墩内表面由平面变为曲面,旋涡区域减小;紊动能的突变区域出现在消能工出口后,齿墩内表面由平面变为曲面会减小该区域的紊动能及其范围;齿墩内表面由平面变为曲面,消能工的消能率减小,流量系数加大,与其水力半径密切相关,为齿墩式内消能工的体型优化提供了依据。

齿墩数量对齿墩式内消能工消能率影响试验

针对洞塞式消能工对消能体型的过流能力有较大影响的缺点,为尽可能减小其影响,进行了齿墩式内消能工物理模型试验,设计了面积收缩比为0.375条件下不同齿墩数量的3种方案来试验分析齿墩式内消能工过流能力、局部水头损失系数、消能效果、脉动压强特性及脉动流速特性。试验结果表明:齿墩数量对齿墩式内消能工的消能效果起着一定的作用,在试验范围内,随着齿墩数量的增加,过流能力增强,局部水头损失系数减小,消能率降低;紊动强度在距齿墩段进口1.5D(D为管道内径)处达到最大,7D后趋于平稳;脉动压强在距齿墩段进口1.3D^1.6D达到最大,然后急剧衰减,在距进口5.6D处趋于平稳。

断面收缩比对齿墩式内消能工消能效率的影响

为了尽可能减小洞塞消能工对过流能力的影响,提出了一种齿墩式内消能工法,通过物理模型试验对不同收缩比的齿墩式内消能工进行了研究,分析了它们的过流能力、消能率及局部水头损失系数。结果表明,齿墩尺寸和形状是影响齿墩式消能工的关键因素,其面积收缩比越小,消能率越高,过流能力就越低;各方案的时均压强在进口处迅速递减,在距齿墩段进口1.15 D左右达到最小值,而后逐渐恢复,在距进口4.00 D处趋于平稳;当收缩比逐渐增大,局部阻力损失系数逐渐减小。

齿墩式内消能工的压力及流速特性研究

为进一步了解齿墩式内消能工的特性,通过物理模型试验,分析了在齿墩数相同、面积收缩比不同的情况下齿墩式内消能工的过流能力、时均压强、脉动压强及脉动流速。结果表明,管道的过流能力主要由齿墩式内消能工的体型及尺寸决定;时均压强在齿墩进口处急剧下降,在距齿墩段进口0.2 D(D为试验管内径)处达到最小值,之后逐渐上升,到距齿墩段进口2.5 D处恢复平稳,且在试验范围内,面积收缩比越小,时均压强降幅越大,消能效果越好;脉动压强在齿墩段后出现最大值,面积收缩比ξ=0.375时脉动压强最大,其概率密度分布接近正态分布;脉动流速最大值出现在齿墩段出口处,管中心的脉动流速小于管壁处的脉动流速。

齿墩式内消能工的水力特性数值模拟研究

为了进一步研究齿墩式内消能工的水力特性,采用数值模拟方法,利用Gambit软件建立齿墩式内消能工的计算网格,借助Fluent软件中RNGκ-ε双方程紊流模型对水流流动进行数值模拟,物理模型试验结果与数值模拟结果吻合较好,并在此基础上利用数值模拟方法分析了齿墩式内消能工的压强、流速、消能率及过流能力等水力特性。结果表明,在齿墩入口处管道中心附近的压强明显小于管壁的压强,进入齿墩段,压强骤降形成低压区;在齿墩下游0.1 D(D为管道直径)处压强降到最低,之后开始恢复,并逐渐趋于平稳,压强恢复区长度约为3 D;在齿墩末端正后方形成漩涡回流区,漩涡长度约为1.2 D,之后流速分布趋于均匀;与相同面积收缩比的洞塞式内消能工相比,虽然消能率相应降低,但其流量系数的增幅大于消能率的减幅,有利于缓解过流能力与消能效果的矛盾。

齿墩间距对二级齿墩消能工消能效果的影响研究

齿墩式内消能工是基于传统内消能工提出的创新消能工方式,是对内消能工形式的全新尝试。文章以数值模拟的方式对两级消能工齿墩间距对消能效果的影响进行研究,结论对优化该消能工结构设计,提高其工程应用价值具有重要意义。

二级齿墩旋转内消能工的试验研究

为了满足过流能力的同时进一步提高消能效果,在一级齿墩式内消能工研究的基础上,采用理论分析和物理模型试验方法,对断面收缩比为0.5、齿墩数目为4、齿墩长度为13.5cm的二级齿墩进行物理试验,分析了二级齿墩式内消能工相对旋转后的水力特性。结果表明,脉动压强系数沿程分布规律基本一致,从一级齿墩开始到二级齿墩结束,受齿墩突缩突扩影响,脉动压强系数变化最明显,在4.2倍的管径附近脉动压强系数达到最大,在6.5倍的管径附近,脉动压强系数逐渐恢复平稳;当两个齿墩相对旋转角越小时,过流能力越好,消能率越小;当两个齿墩相对旋转角越大时,过流能力变弱,消能率变大。

基于数值模拟的齿墩间距对消能效果的影响研究

齿墩式内消能工是基于传统内消能工提出的创新消能工方式,是对内消能工形式的全新尝试。文章以数值模拟的方式对两级消能工齿墩间距对消能效果的影响进行研究,结论对促进该消能工结构设计优化,提高其工程应用价值具有重要意义。