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。

旋流排沙渠道中旋转水流的排沙效果研究

旋流排沙渠道是基于旋转水流强挟带能力的特点提出的一种渠道水沙分离新技术,为了明晰其水沙特性,在试验研究的基础上,采用Realizable k-ε模型、VOF法及离散相模型,对旋流排沙渠道内的水沙两相流特性进行了数值模拟,通过与模型试验成果的对比确定了不同粒径泥沙的球度,研究了持续来沙条件下旋流排沙渠道的排沙效果,分析了渠道和排沙洞内泥沙的分布规律。结果表明:不同粒径泥沙的球度介于0.2~1.0之间时,在渠道顶部局部来沙条件下旋流排沙渠道对粒径为(0.075,3.000]mm泥沙的计算截沙率与试验值吻合良好,二者的相对误差仅为3.5%,误差主要来源于(0.075,0.160]mm的极细颗粒泥沙;当上游渠道水流进口来沙质量流量为60 g/s时,渠底高含沙水流由起旋室的分流,渠道含沙量迅速降低,起旋室前部和后部渠底水流含沙量分别为44.00 kg/m^(3)和0.07 kg/m^(3);排沙洞内的旋转水流对泥沙的挟带作用明显,在强离心作用下泥沙主要分布在排沙洞近壁面,最大泥沙含量约为200.00 kg/m^(3);在持续来沙条件下旋流排沙渠道对粒径为(0.075,3.000]mm泥沙的截沙率为95.98%,仅少量极细泥沙以悬移质形式进入下游渠道,渠道和排沙洞内无大量的泥沙淤积,表明旋流排沙渠道是一种可实现高效且连续排沙的水沙分离技术。本成果可为旋流排沙渠道在工程中的应用和水沙特性的研究提供有益参考。

体型参数对旋流排沙渠道水沙特性的影响

为明确关键体型参数对渠道和排沙洞内水沙特性的影响,在模型试验研究的基础上开展了旋流排沙渠道的水沙两相流数值模拟。结果表明:起旋室高度对截沙率影响较为显著,最大相差5.41%;排沙洞直径、倾角和起旋室出口宽度对分流比影响显著,最大相差8.13%,增大倾角后改善了原排沙洞封闭端因壁面条件影响而产生的泥沙淤积;起旋室出口宽度对渠道内水沙特性基本无影响;不同体型下旋流排沙渠道均可高效、持续排沙,截沙率均大于90%,经过起旋室后,高含沙水流从排沙洞流出,下游渠道含沙量急剧减小。

球体垂直入水空泡内部流场特性的数值模拟研究

基于边界数据浸入法(BDIM)和刚体运动流固耦合算法,开发一套球体垂直入水数值计算程序,通过与实验结果对比,验证数值方法的准确性和有效性。基于对数值计算结果的分析,获得球体垂直入水空泡、喷溅发展、空泡内部流场结构随入水冲击速度的变化规律,对比不同涡识别准则对流场内涡结构的识别效果。结果表明:入水冲击速度对喷溅闭合、空泡形态和内部流场随时间的演变具有显著影响;Q准则可以较为准确地识别流场中的复杂涡结构,入水气流速度会影响空泡内部尾涡的数量、尺寸和强度。

支流水动力特征对干流水位顶托的响应规律与表征——以史灌河为例

为研究支流水动力特征对干流水位顶托的响应规律,以受淮干水位顶托的史灌河为例,通过理论分析与模型计算,提出一种定量描述顶托强度和范围的表征方法;基于2维水流数学模型,并利用包络线方法处理因顶托导致支流水位流量关系散乱的情况,进行支流不同来流量级、不同水位流量关系下的水流运动数值模拟,重点分析支流典型区域水动力特征的变化规律,探讨影响干支流顶托特性的主要因素。结果表明:史灌河受淮干水位顶托范围内水位壅高、水面比降变缓、流速减小;史灌河受淮干顶托主要受其上游来流量、干流水位、距交汇口远近等影响;相较于水动力特征分析与其他表征方法,使用综合顶托强度参数方法更易分析干支流顶托特性变化规律,史灌河下游靠近交汇口断面各工况下顶托强度参数均在0.30以上,长期受淮干水位的顶托。研究成果可为受干流水位顶托的支流河道水流特征及其数值模拟的深入研究提供参考。

南水北调工程对南四湖下级湖水体交换特征影响研究

【目的】南水北调东线工程以南四湖为输水通道,工程运行后南四湖下级湖的流场变化较为复杂。为研究调水工程运行对下级湖及各个分区水体交换特征的影响,【方法】在收集南四湖下级湖地形、降雨、蒸发、风场等资料的基础上,构建了下级湖二维水动力和对流扩散模型,并进行了模型率定与验证,选取50 m^(3)/s、2020—2021年度调水期实际流量、设计流量125 m^(3)/s共3种流量工况进行了模拟分析。【结果】模拟结果显示:调水148 d时,3种流量工况下下级湖韩庄站至二级坝水位差分别为0.06 m、0.12 m、0.36 m,韩庄站至二级坝水位比降分别为1.0×10^(-6)、2.1×10^(-6)、6.2×10^(-6),下级湖平均流速分别提高0.15 cm/s、0.54 cm/s、0.87 cm/s,死水区和滞水区面积占比不断减小,湖区水体流动性大幅提升。实际流量工况模拟入下级湖共6.6亿m^(3),出下级湖6.3亿m^(3),其中下级湖旧水体占67%,外调水占33%。【结论】同一流量情况下,下级湖从南至北、从东至西水体更新时间逐渐变长,3种流量工况下下级湖水体更新时间分别为77 d、78 d、53 d。研究结果有助于定量分析调水情况下下级湖水体流动和交换过程,对南水北调东线工程南四湖段调度运行具有一定参考作用。

黄河下游典型概化心滩绕流近壁面流场水力特性

为了揭示黄河下游典型概化心滩绕流近壁面流场的水力特性,以下游马峪沟断面附近典型心滩作为研究对象,利用模型试验与数值模拟探究不同流量与水深条件下概化心滩绕流近壁面流场的水流流态、河床高程、水流挟沙力及床面阻力等特性,并验证平面二维水沙模型计算得到的流速分布与河床高程的正确性.结果表明:分流区断面受到滩头影响,流速变小,并且流速最大值出现在汊道.汇流区断面在滩尾影响下发生边界层分离,水槽中央流速达到最小,此后流速达到最大并趋于平均化;采用平面二维水沙模型计算得到的流速分布与河床高程的模拟值与试验值基本吻合,表明采用数值模拟探究心滩绕流近壁面流场水力特性是可行的.本研究将为揭示黄河下游典型冲积河段心滩形态特征调整过程的动力学机理提供理论基础.

流激振动对双线供水管道力学及振动特性研究

为探究机组泵站开机产生的流激振动对双线供水管道稳定性的影响,以刘家沟水库工业水厂#1、#2水泵机组埋土管道区间段为例,建立“双线管道—人工填土—地基”为一体的三维有限元模型,根据左线管道的实测数据进行流激振动等效荷载反演,探究送水泵站开机产生的流激振动对双线供水管道力学特性及振动特性的影响。结果表明,机组泵站开机状态下两者的Mises应力相差较大、z向位移响应更为接近,相较于左线管道,右线管道所承担的流激振动等效荷载减小了30.6%、z向位移折减16.0%;流激振动作用下左线、右线管道的主频基本相同,分别为24.8、49.6、74.4Hz;随着Z3节点与右线管道距离逐渐增加,右线管道节点的最大功率谱密度值逐渐减小,振动衰减逐渐增加;随着左线管线距离的增加,振动能量呈先减小后增加的趋势。研究成果可为类似供水管道工程提供理论参考和依据。

水力冲孔煤水管道输送流动特性仿真研究

为了实现底抽巷水力冲孔排出煤水混合物的高效管道输送,基于计算流体动力学构建煤水混合物的管道输送仿真模型,分析入口流速、煤粒粒径和输送管道直径等输送条件对煤水混合物管道输送流动特性的影响规律。研究结果表明,入口流速较低时易发生煤粒沉积现象,随着煤粒粒径的增大,出口截面处的煤粒相体积浓度分布有逐渐向管道底部扩散的趋势,最大流速分布中心在管道出口截面中不断上移。同时,随着管道直径的增大,煤粒相的分层现象更加明显,靠近管道底端区域的体积浓度显著增加。研究为底抽巷水力冲孔煤水混合物高效远距离管道输送的运行参数调控和设备选型提供了依据。

潮流能水轮机流场特性的数值与实验研究

通过数值模拟和模型实验相结合的方式,研究水轮机近域的流场特性对其水动力性能的影响,分析远域下不同入流速度和尖速比等因素对尾流场特性的影响。研究结果表明,在设计尖速比下,水轮机能量转换效率的数值模拟结果(0.37)与实验结果(0.36)的误差为0.3%,水轮机阻力系数的数值模拟结果(0.73)与实验结果(0.76)的误差为-4%,验证了数值模拟方法的准确性;水轮机梢部存在明显的三维流动现象,水轮机盘前梢部存在由叶根流向叶梢的径向流速(0.24 m/s),盘后梢部存在由叶梢流向叶根的径向流速(0.14 m/s),该叶片梢部尾流区的“下洗”流速导致水轮机能量转换效率下降;入流速度不会对尾流区轴向速度的恢复产生显著影响;在近尾流区(距离盘面小于5D)随尖速比的增加,尾流区轴向速度恢复呈逐渐降低的趋势,而在距离水轮机盘面超过10D之后,尖速比不会对尾流轴向速度恢复产生明显影响,但尖速比的增加会使梢涡存在时间变短,梢涡破碎的位置更靠近水轮机盘面。

泵站进水结构设计参数对其流场特性影响的研究

为了研究泵站进水结构设计参数对其流场特性的影响,依托某典型泵站进水结构案例,建立泵站进水结构数值仿真模型,并通过现场监测数据验证该模型的有效性。同时,从水头损失和流速均匀度两个方面,评价泵站进水结构多个设计参数对其流场特性的影响。结果表明,各点位数值模拟结果数值均与实测结果较为接近,且流速随位置变化趋势基本一致,数值模拟的精度较高,表明所建立的典型泵站进水结构数值仿真模型在参数选取、边界条件设定和网格划分等方面较为合理、有效。泵站进水结构扩散角对流场特性影响较为显著,减小扩散角能明显改善流场结构,随着扩散角降低,主流扩散效果出现增大,水头损失逐渐下降,而均值流速分布均匀度则出现上升。当泵站进水结构扩散角为20.5°、底部纵坡1:6.2、总宽度25.4m、淹没深度1.4m、后壁断面结构采用w形设计时,在减少水头损失、缩小回流区、加强主流效应、提高流速分布均匀度等方面表现较优良。

考虑泥沙颗粒影响的长距离供水工程单向塔水锤防护

长距离供水工程的安全稳定运行离不开水锤防护,然而传统的水锤计算模型和分析方法忽略了泥沙颗粒影响。该研究基于浆体水锤波速公式和管路当量摩阻公式构建特征线方程进行数值计算,并通过水库-管道-阀门系统(RPV)关阀水锤试验的压力数据进行模型验证;结合单向塔边界数学模型,探究了泥沙颗粒参数对某工程输水管路单向塔水锤防护效果的影响。结果表明:无防护掉电时,含沙工况下泵后的降压波幅值更大,较清水多出1.22m;含沙水管路沿线的最小内水压力均低于清水,差值最大为1.18 m。采用清水单向塔防护方案,除部分颗粒参数条件外(含沙量<10 kg/m^(3),颗粒直径=0.01mm),含沙管路沿线均会出现负压;其内水压力最小值随着颗粒直径和含沙量的增大而减小,最低可达-2.41 m。在给定的颗粒参数范围内,提出满足工程防护需求的含沙水单向塔防护方案,其塔高较清水方案需要提高4 m。相关研究成果可为高含沙流域长距离供水工程的水锤防护设计提供一定的参考。

不同丁坝间距对水流特性的影响研究

丁坝具有束窄水流、防冲减淤的作用,坝头附近流场呈三维紊动特性使河道受到强烈冲刷。在实际工程中,丁坝大多以丁坝群形式布设,丁坝间距直接影响绕流流场和局部冲刷,合理的丁坝间距,不仅节约成本,还能使丁坝群功能优化。选取不同丁坝间距并拟定5种对比方案,建立三维紊流数学模型,基于计算流体力学数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型,模拟非淹没型直立正挑薄壁丁坝群对水流特性的影响。通过改变丁坝间距,分析不同丁坝间距对水位、流速、流态、回流区长度的影响。结果表明:随着丁坝间距的减小,坝下游水位下降变缓,坝间距为1 m时,分界线沿着坝首与河岸平行;丁坝间距与丁坝长度的比值在15~7.5时,最下游丁坝回流长度随丁坝间距的减小而减小;丁坝间距与丁坝长度的比值在7.5~5时,最下游丁坝回流长度随丁坝间距的减小而基本不变。对丁坝间距及数量进行适当调整,可有效改善局部冲刷和回流区长度。

煤矿采动过程中底板破坏特征及地下水流场分布预测研究

为了进一步得出底板采动过程中的变形损伤破坏特征,以某工作面为研究对象,借助FLAC 3D数值模拟软件,分析了工作面回采过程中底板渗透性演化规律,将采动过程中底板渗透性变化定量地进行分区,明确煤层开采引起底板不同区域渗透率失稳情况。利用GMS地下水系统模拟软件,分析了工作面开采后底板无注浆与底板注浆条件下地下水位变化规律。研究得出,采空区中部底板渗透率增大区域分为4个区域,随深度增大,渗透率增大倍数由7倍逐渐减小至原始渗透率,工作面回采引起底板渗透率变化区域整体呈“倒马鞍形”分布。当保水工程施工后,水位下降速度明显减下,随着保水工程继续实施,预计到2024年6月,模拟水位达到+1124.45 m。

凝汽器水侧流动的三维数值模拟

建立了某一凝汽器实际管束的流动计算模型,运用计算流体力学的方法,对该凝汽器水侧流场进行了三维数值模拟。采用分区对称计算方法,大大降低网格数量,从而详细预测了凝汽器水侧进出口水室以及其连接管和冷却水管束内的流动特性。计算结果可以清楚地表明:该凝汽器进口水室存在大量漩涡,使流动阻力增加,流动恶化;水室速度分布不均匀,进口水室管板中心区域流体流速较高而边缘区域较低,结构上存在一定问题;而出口水室的结构较为合理。这与采用多孔介质模型模拟的结论一致,进一步验证了采用多孔介质模型对凝汽器进行计算是正确可行的。计算结果同时表明,冷却水管束内流量和流速的分布是不均匀的,位于中心位置的冷却水管流量较大,而周边区域较小,最大流量差别可达到38%,且相邻管路的流量减小幅度与冷却水管布置有关。冷却水管内冷却水流量和流速的差异将会影响换热器的换热性能。计算结果可为分析研究管排流动不均而引起的换热效率问题提供条件,也可为凝汽器设计和结构优化提供依据。

基于多孔介质模型的电厂凝汽器汽侧流动特性

针对凝汽器管束区的分形及其分布阻力特性,建立基于凝汽器管束区乏汽流动多孔隙率的多孔介质模型,并分析管束区乏汽的速度、流量及压力的变化。研究结果表明:在均匀管内换热条件下,该结构类型的凝汽器中的凝结效果主要取决于管板外边界附近的冷却管束的换热,而且上管束区域的冷凝效果比下管束区的冷凝效果差;在空冷区中,对称分布的高动压区使得流入空冷区中的乏汽转向流入凝结管束区中,一方面避免了工质直接通过排汽口排放的损失,另一方面,该动压区所处的位置以及动压随负荷发生变化,尤其是在240 MW负荷附近的工况条件下变化显著,将导致排气口带走更多的工质。

凝汽器水侧流动的三维数值模拟

运用计算流体力学的方法,采用多孔介质模型对凝汽器水侧流场进行了数值模拟。从计算所得三维流场可清楚地掌握影响凝汽器工作的重要因素:该凝汽器进口水室漩涡的存在使流动阻力增加,流动恶化;高速流体集中于水室中心区域,会影响换热器的换热性能。其整体阻力特性与试验数据吻合较好,表明该模型和计算方法正确。解决了凝汽器水侧数值计算建模的困难和网格数量问题,为动力装置冷却水系统整体的数值模拟提供基础。

直接空冷凝汽器三维流场特性的数值分析

对A字形布置的单排管直接空冷凝汽器单元进行了分析,建立了凝汽器单元内三维流动的物理数学模型,并利用Fluent求解器进行了相应的数值计算。分析了不同运行工况(风机转速、风机叶片安装角)以及环境因素(横向风速度、环境温度)对凝汽器单元流场特性的影响规律,为直接空冷凝汽器设计和优化提供科学依据。

井下双级串联式油水分离器工作特性研究

井下双级串联式油水分离器的工作特性对于井下油水分离系统的工况诊断及调节必不可少。基于代数滑移混合物模型（Algebraic slip mixture model，ASMM）和大涡模拟（Large eddy simulation，LES）模型，针对T228井井况设置相关参数及边界条件，研究井下双级串联式油水分离器的分流特性和分离特性，并与地面试验结果对比。结果表明，入口流量为80～200 m3·d-1时，总分流比的范围随着入口流量的增大而增大，一、二级水力旋流器的溢流口流量之比与总分流比的变化关系是确定的函数关系，底流含油质量分数随着总分流比的增大先减小后增大；额定工况下，第一级水力旋流器起主要分离作用，第二级对于进一步降低底流含油质量分数起关键作用；入口流量和总分流比的组合为（120～140 m3·d-1/0.36～0.74）、（140～160 m3·d-1/0.31～0.77）或（160～180 m3·d-1/0.33～0.76）时，底流含油质量分数不大于0.02%；数值模拟预测的分流特性与试验结果一致，预测的总分流比和底流含油质量分数的关系与试验结果定性一致。通过综合分析分流特性和分离特性，得出进行井下工况调节时入口流量和总分流比的合理范围，为现场试验提供指导。

边底水凝析气藏气井出水来源综合识别方法

边、底水凝析气藏在开发过程中易受地层水侵入,部分气井会由于边、底水侵入而高含水停产,但水侵过程往往需要较长的时间,因而不能将出水原因均归结为边、底水侵入。考虑边底水凝析气藏的反凝析特征、地层中的优势渗流通道以及井底附近的油、气、水三相流动,运用凝析水分析、生产动态分析、测井解释分析、井间优势渗流通道识别、出水层位判断和数值模拟论证方法综合判断凝析气井出水来源,以塔里木盆地塔河凝析气藏A区块2口采气井为例详细说明了识别过程。对单井出水来源的准确识别,有助于掌握地层水的运动规律,对边底水凝析气藏的治水、控水、稳产开发有重要意义。