明渠弯道交汇口水动力特性数值模拟

为研究不同宽深比和径宽比对明渠弯道交汇口水动力特性的影响规律,利用体积函数法(VOF)追踪自由表面,采用RNG k-ε模型封闭控制方程,建立明渠弯道交汇水流三维数值模型对3种宽深比和3种径宽比的5种组合工况进行了模拟,分析了交汇口附近的水面形态、流速分布、断面环流和分离区形态等特征。结果表明:随着宽深比的增大或径宽比的减小,交汇口附近水面跌落程度减弱;与径宽比相比,宽深比对弯道交汇口以及下游区域内流速分布的不均匀性影响较大,宽深比增大,纵向流速变幅增大,流速分布更加不均匀,水流偏转效应增强;宽深比或径宽比减小导致弯道处环流强度增大;宽深比或径宽比增大,弯道处回流结构增强,分离区尺寸增大,水平方向上形态更加狭长。

TWO-DIMENSIONAL CALCULATION FOR WATER SURFACE LINE OF OPEN BEND CHANNEL

This paper presents a differencial equation for two dimensional distribution of water depth and its condition to determine solution, then obtains the analytic solution of a Cauchy problem. By use of this solution the water depth is able to be determined at any point in total bend, which provides a better understanding of depth distribution in bend in comparison with traditional method of one dimensional calculation. The experimental verification shows that the calculated value by this formula well coincides with measured value.

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。

复式断面明渠弯道水流三维雷诺应力模型数值模拟

采用数值模拟方法研究了复式断面和矩形断面60°弯道明渠的流场结构。自由水面的捕捉采用VOF(Volume of Fluid)法,雷诺时均N-S方程采用雷诺应力模型封闭。对两种断面渠型水力特性的模拟结果进行了比较,结果表明:复式断面弯道明渠在弯道横断面上存在着多涡结构;滩地上的流速大于主槽上的流速;凹岸和凸岸上的自由液面水位差要比矩形断面的小;水流在渠底的横向运动强度要比矩形断面的大;弯道内外侧的压力差也与矩形断面有所不同。

较小半径溢洪弯道急流超高的研究

为了探求急流弯道的超高及其相关的影响因素,通过对较小半径弯道急流的水流现象的描述,指出较小半径弯道凹岸水流受惯性离心力和冲击力的共同作用。在此基础上,利用动量原理,推导出了较小半径弯道水流超高公式,与试验资料对比,该理论的合理性得到了证实。还讨论了弯道水流各因素同超高的关系,结果表明,弯道的超高和宽度几乎成正比,弯道的转角影响超高很大,当弯道半径越小,其超高将增加越快。

明渠弯道三维冲淤数值模拟

文章建立了基于非结构化网格的三维非静压有限体积地形冲淤模型,模型能够准确地模拟弯道二次流及其对河床切应力的影响,同时也考虑了横向底坡对输沙方向的影响,推移质输沙采用Engelund-Hansen全沙公式,将模型应用于140°明渠弯道冲淤试验,分别选取弯道纵向和横向地形冲淤测量值与计算值进行对比,结果显示模型能够模拟弯道主要的冲淤特征,具有较高的模拟精度,能进一步用于实际弯曲河道的地形冲淤计算。

明渠弯道水流运动规律研究现状

自然界中河流经常是弯曲的,使得弯道环流研究成为水力学及河流动力学最重要的课题之一。明渠弯道水流运动规律的研究主要包括弯道水面横比降、横向环流垂线分布和环流流速沿程分布等方面。本文对这三方面的研究成果进行了归纳与分析,并对弯道水流运动规律的研究现状进行了评述。通过罗索夫斯基的实验资料对弯道环流流速分布公式和环流流速沿程分布公式进行了检验比较,向工程界推荐出相应的计算公式。

平面弯道势流的流速分布规律研究

为研究平面弯道水流的流速分布规律,将弯道简化成圆弧,假设水流为理想流体作恒定无旋流动,并假定流线为圆弧状,根据理想流体平面势流理论,推导了弯道水流的流速分布公式和内外弯超高公式。得到的结论为:内弯流速大于外弯;内弯水面低于外弯。然后基于Galerkin(迦辽金)加权余量法的有限单元法,编写了Matlab有限元程序,用3节点三角形单元模拟90°弯道水流中的流速分布,得到了与理论解一致的流速分布结果。最后通过弯道水流实验和文献中的实验数据对理论推导结果进行验证。结果表明,实际弯道水流是以平面势流为主导的。

寒冷地区某长距离引水式电站防冰冻设计

某工程为寒冷地区长距离明渠引水式电站,采取水库蓄冰增温、渠道防冰、前池排冰、金属结构防冰冻等防冰措施,为工程冬季安全运行提供了保障,为同类工程设计提供了参考。

复式断面强弯弯道水流结构和热扩散的数值模拟

采用RNG k-ε三维紊流数学模型对180°强弯弯道水流结构和温度场进行模拟,对比分析了矩形断面和复式断面结构形成的二次流场特征及其对温度扩散的影响。结果表明:在强弯弯道中,离心力作用决定了主要环流(螺旋流)的方向;复式断面结构加大了滩槽处大量的动量交换和能量交换,使断面温度分布更趋于均匀。

明渠弯道温差异重流特性研究初探

本文应用二维激光测速系统，红外热像仪和多通道测温系统对明渠弯道温差异重流的特性进行了实验研究，发现了异重流弯道二次流有三环主体结构，为明渠弯道传热、传质数学模式奠定了物理机制的基础。

明渠恒定急变流水深沿程变化的计算

给出了明渠恒定急变流中的能量方程,该方程能够行之有效地解决急变流中的一些水力学问题。引入了“弯道附加压力”的概念,并给出了明确的计算公式。能迅速计算出急变流的水深、流速等水力要素的沿程变化。应用VB编程求解该公式,水面线的计算结果与模型试验实测结果吻合良好。

挺水植被弯曲变形对水流阻力的影响研究

为研究挺水植被在水流作用下发生的弯曲变形对水流阻力影响,通过明渠水槽实验对不同水流条件下单株挺水植被的弯曲变形状态及其水流阻力进行了观测分析。研究结果表明,挺水植被从完全直立转变为挺水弯曲摇摆状态时,水流阻力随着植被弯曲变形程度加剧而增加;当植被由挺水状态转为淹没状态时,水流阻力显著降低;当植被处于弯曲摇摆的淹没状态时,水流阻力同样会随着植被弯曲变形程度的加剧而增加;但是,当植被的弯曲变形增加到使得植被处于完全倒伏时,水流阻力反而会减少。研究成果有助于平衡河流生态治理与汛期泄洪的关系。

腹板开孔冷弯薄壁槽钢构件非线性屈曲分析

为了研究不同受弯状态下腹板开孔冷弯薄壁槽钢的非线性屈曲荷载变化规律,对不同孔高比和不同卷边宽度的冷弯薄壁槽钢纯弯构件和非纯弯构件进行了有限元分析。分析结果表明,当孔高比小于0.6时,纯弯构件和非纯弯构件的非线性屈曲荷载变化幅度相对较小,当孔高比大于0.6时,纯弯构件和非纯弯构件的非线性屈曲荷载有急剧下降的趋势;当非纯弯构件非线性屈曲荷载大于纯弯构件非线性屈曲荷载时,短卷边构件非线性屈曲荷载提高幅度大于长卷边构件。

带滩槽地形的连续弯道中纵向流速横向分布解析

本文基于沿水深积分的动量方程,假定二次流项和弯道附加应力项沿横断面呈线性分布,提出了预测弯道垂线平均纵向流速的解析计算方法,进一步提出了河槽区和河滩区垂线平均纵向流速沿断面分布的求解模式,并将其应用于带滩槽地形的反向连续弯道水槽中.根据实测数据率定计算参数,该模式可计算不同出口水深条件下断面垂线平均纵向流速分布,计算结果与实测数据吻合良好.分析了线性分布假设中参数随水深变化的取值规律和沿横断面分布特点,并对参数进行了敏感性分析,分析表明线性假设中一次项系数分区位置对流速峰值的大小和位置影响较大,常数项根据地形横比降变化进行分区取值,流速计算值对常数项在水平段和斜坡段分区位置较为敏感,并根据参数的敏感度提出了参数沿水槽的均值作为参考值.讨论了动量方程中二次流项和弯道附加应力项沿弯道的横向分布规律,进一步认识线性假设的适用范围,结果表明线性假设在本文试验水槽中适用于弯道沿程.研究成果有助于认识带滩槽地形的连续弯道纵向流速分布特征及其形成机制.

山溪坝后式取水及明渠弯道除沙方式研究

随着我国水利水电工程建设的发展,水电站分布越来越集中于偏远山区,供水系统往往需自行建设。为了解决工程建设施工及生活用水问题,通常是将工程附近水源水质较好的山溪作为取水点,并经简单沉沙处理后投入使用。传统的坝前式山溪取水及大型沉沙池除沙普遍面临着汛期取水头部易被泥石流淤积、山溪内施工部位狭窄等问题,根据弯道环流原理,结合杨房沟水电站供水系统取水头部设计及运行使用经验,研究验证了坝后式取水代替传统的坝前式取水,以及明渠除沙代替大型沉沙池除沙方式的实际效果。实践表明,新的取水方式可以满足抗淤能力强、施工占地少,同时除沙能力理想的要求,可为今后类似情况下山溪取水及除沙方式的选择提供参考。

排洪明槽底板按弹性地基基础梁进行的受力分析

在遵崇高速公路一填筑路基上设置的U型大断面排洪明槽结构设计中,将其底板按弹性半无限平面上的基础梁(属共同变形理论)进行受力分析,计算出地基反力、梁截面内力(剪力、弯矩)作为梁设计的依据。介绍了该方法计算的理论和步骤,并与假定地基反力按直线分布的计算结果进行了比较,显示出共同变形理论计算的合理性。排洪明槽经数年使用,完好无损。