CATIA建模的導(dǎo)流工程三維數(shù)值模擬研究

運用三維變密度不可壓計算流體力學(xué)方法對微型y形沖擊射流進行流動結(jié)構(gòu)研究.結(jié)果表明:入射角度和入射速度是影響流場結(jié)構(gòu)和混合效果的兩個重要因素,分別存在有最佳入射角度和入射速度.我們發(fā)現(xiàn)在射流角度等于90°、射流速度為中速時,其流場結(jié)構(gòu)最利于混合,因為此時射流的接觸面積最大.另外,射流速度越大,其分割強度值也越大,因此混合性能也越差.當(dāng)速度太大時,會使兩股流體的接觸面破碎而散落在空間中,使其不再接觸,因此對分子間的擴散和混合不利.

采用三維水動力學(xué)模型,借助非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格重構(gòu)地形,開展了金沙江干流山區(qū)水庫通航流態(tài)的數(shù)值模擬研究。以攀枝花河段為例,選取不同的來流條件進行了模擬,重點關(guān)注了水深、流速、平面流場和典型彎道的環(huán)流結(jié)構(gòu)等水動力學(xué)特性,進一步對河段可能的礙航點進行了分析。計算結(jié)果表明:在一定的出流邊界條件下,河道水深整體呈沿程遞增趨勢,基本可滿足三級航道標(biāo)準(zhǔn)；同時某些流量級下,局部卡口、突擴和彎道河段可能出現(xiàn)礙航流態(tài)。研究結(jié)果可為金沙江梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度提供技術(shù)參考。

采用三維水動力學(xué)模型,借助非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格重構(gòu)地形,開展了金沙江干流山區(qū)水庫通航流態(tài)的數(shù)值模擬研究.以攀枝花河段為例,選取不同的來流條件進行了模擬,重點關(guān)注了水深、流速、平面流場和典型彎道的環(huán)流結(jié)構(gòu)等水動力學(xué)特性,進一步對河段可能的礙航點進行了分析.計算結(jié)果表明:在一定的出流邊界條件下,河道水深整體呈沿程遞增趨勢,基本可滿足三級航道標(biāo)準(zhǔn);同時某些流量級下,局部卡口、突擴和彎道河段可能出現(xiàn)礙航流態(tài).研究結(jié)果可為金沙江梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度提供技術(shù)參考.

在運用數(shù)學(xué)模型對水流流場進行模擬時,僅依靠一維或二維模型還無法兼顧部分模擬區(qū)域的真實水力學(xué)變化,因此有必要展開流場三維模擬。利用流體力學(xué)軟件flow-3d,建立分層水庫近壩區(qū)的浮力流三維數(shù)值模型,對近壩段水流結(jié)構(gòu)以及水電站下泄水溫進行精確模擬。分析了相同水溫分層條件下,不同浸沒高度、不同流量對下泄水溫的影響,同時對比了同一下泄流量不同出流方式的下泄水溫差異。結(jié)果表明:在相同水溫分層條件下,流量越大,最大吸入高度越大,取水口可以吸入更接近表層溫度較高的水體;在最大吸入高度以上只改變淹沒深度,取水口前流場基本不發(fā)生變化,對下泄水溫影響很小;復(fù)雜三維地形可以改變水體的流線,對下泄水溫影響很大。

基于n-s方程、rngk-ε模型和有限差分法建立了潰壩洪水分析的三維數(shù)學(xué)模型,進行了潰壩洪水通過直角彎道的模型試驗,并將計算值與實體模型試驗結(jié)果中洪水的實測值進行對比,結(jié)果表明渠道內(nèi)洪水位的計算值與實測值高度吻合,流速大小與方向也基本一致.為進一步研究潰壩洪水沖刷問題,在水流模型的基礎(chǔ)上加入了泥沙模型,并采用槽寬突變渠道中潰壩洪水沖刷的模型試驗進行驗證,驗證結(jié)果表明洪水水位的實測值與數(shù)值模擬計算值吻合較好,沖刷完成后的沖刷坑深與堆丘高度也基本一致,說明所建的泥沙模型在研究潰壩洪水泥沙沖刷問題時有較好的準(zhǔn)確性與實用性.

本文采用數(shù)值模擬方法預(yù)測由近地三維流動風(fēng)引起的建筑物的表面風(fēng)壓。文中運用一種擴展的ｋ－ε紊流封閉模型，導(dǎo)得了穩(wěn)態(tài)流動風(fēng)的統(tǒng)一形式的控制微分方程。采用控制容積法對微分方程作了離散，ｓｉｍｐｌｅｃ壓力校正迭代算法實現(xiàn)了非線性離散化方程的求解。實例計算與分析比較表明，本文的模擬方法改善了對建筑物側(cè)風(fēng)面和頂面風(fēng)壓值的預(yù)測。

本文采用數(shù)值模擬方法預(yù)測由近地三維流動風(fēng)引起的建筑物的表面風(fēng)壓。文中運用一種擴展的ｋ－ε紊流封閉模型，導(dǎo)得了穩(wěn)態(tài)流動風(fēng)的統(tǒng)一形式的控制微分方程。采用控制容積法對微分方程作了離散，ｓｉｍｐｌｅｃ壓力校正迭代算法實現(xiàn)了非線性離散化方程的求解。實例計算與分析比較表明，本文的模擬方法改善了對建筑物側(cè)風(fēng)面和頂面風(fēng)壓值的預(yù)測。

應(yīng)用巖心、測井和動態(tài)生產(chǎn)資料,采用"模式預(yù)測,分級控制"的砂體內(nèi)部構(gòu)型研究方法,對高含水后期密井網(wǎng)條件下曲流河砂體沉積單元、沉積微相、單一河道砂體、單一河道內(nèi)部點壩砂體以及點壩內(nèi)部構(gòu)型進行了分級描述,精細(xì)研究了曲流河砂體內(nèi)部構(gòu)型,建立了點壩砂體側(cè)積夾層的規(guī)模、產(chǎn)狀定量分布模式,確定了描述側(cè)積夾層產(chǎn)狀的傾向、傾角、延伸和水平間距4個參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,采用序貫指示模擬與人機結(jié)合再處理的方法建立了小網(wǎng)格三維儲層構(gòu)型模型及參數(shù)模型,進行了實際區(qū)塊的曲流河砂體內(nèi)部構(gòu)型三維地質(zhì)模型油藏數(shù)值模擬。根據(jù)層內(nèi)數(shù)值模擬的結(jié)果總結(jié)出高含水后期密井網(wǎng)條件下曲流河砂體內(nèi)部4種剩余油分布模式,并提出相應(yīng)的層內(nèi)挖潛措施。研究結(jié)果表明,薩北油田主力油層曲流河砂體單一河道寬度為200～800m,點壩長度為120～500m,側(cè)積夾層傾角為7°～10°,可延伸至河道砂體的2/3左右。采用完善單一河道內(nèi)部注采關(guān)系及挖潛點壩之間剩余油的方式設(shè)計的北x-4-144井取得了較好挖潛效果,為油田開發(fā)后期層內(nèi)剩余油精細(xì)挖潛提出了依據(jù)。

分岔隧道是一種新的隧道建設(shè)型式,它一般由四車道大拱隧道或連拱隧道逐漸過渡到上下行分離式雙洞隧道,因此它同時具備標(biāo)準(zhǔn)間距的分離隧道、小凈距隧道、連拱隧道以及四車道大拱隧道等多種結(jié)構(gòu)型式隧道的特點。結(jié)構(gòu)型式一般分為大跨襯砌段、雙連拱襯砌段、加強襯砌段和一般襯砌段4種斷面型式。作為一種新的隧道建設(shè)型式,目前國內(nèi)尚不多見,缺乏可供參考的設(shè)計、施工經(jīng)驗。由于分岔隧道型式的特殊性和復(fù)雜性,施工難度和風(fēng)險均較大,因此,研究施工圍巖的穩(wěn)定性有著非常重要的意義。本文基于連續(xù)介質(zhì)模型,通過大型有限元軟件abaqus,主要對施工過程進行數(shù)值仿真模擬,著重分析研究大拱與連拱過渡段和連拱以及小凈距過渡段施工過程中的圍巖變形和破壞特性,并得出結(jié)論,為設(shè)計施工提供參考依據(jù)。

采用rngκ-ε紊流模型與vof方法對散粒體滑坡涌浪進行數(shù)值模擬；通過與已有文獻的試驗結(jié)果對比分析；發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬得到的滑坡體水下初始堆積形態(tài)與試驗結(jié)果吻合較好；且波幅計算精度較高；基于此；建立了某山區(qū)河流型水電工程庫區(qū)的三維模型；模擬了碎土石滑坡涌浪在庫區(qū)內(nèi)的生成與傳播過程；并分析了涌浪的波幅和波速特征；研究結(jié)果表明；通過數(shù)值模擬獲得的涌浪波幅和傳播速度等參數(shù)；可以為大壩安全評估和滑坡涌浪災(zāi)害影響范圍預(yù)測提供一定的科學(xué)依據(jù)；還可為通航河流航行船舶的避險范圍提供參考；

隨著三維可視化技術(shù)的發(fā)展，三維仿真中地質(zhì)建模技術(shù)越來越受到重視，本文闡述了catia軟件在水利工程建立地質(zhì)模型的應(yīng)用過程，詳細(xì)介紹了此軟件在建立地質(zhì)模型時的操作步驟、流程、相關(guān)命令功能和技巧。主要通過visualbasic語言編程和catia軟件的逆向工程模塊，首先利用visualbasic語言編程提取地形圖信息，將點云數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入catia，使用dse、qsr、partdesign等工作臺建立工程區(qū)的三維地質(zhì)模型。發(fā)現(xiàn)catia軟件能夠快速、簡捷地建立地質(zhì)模型，而且直觀、真實地反映出地形、地貌特征。因此將這種成熟的地質(zhì)建模技術(shù)引入水電行業(yè)是可行的，并將具有廣闊的前景。

利用cfd軟件fluent對多級導(dǎo)葉式清水離心泵的內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬,得出了葉輪及導(dǎo)葉內(nèi)部流道的速度和壓力分布規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)了葉輪進口回流,出口的二次流動特征等葉輪內(nèi)部流動的細(xì)節(jié),導(dǎo)葉出口區(qū)產(chǎn)生了一個低壓區(qū)等流動特征。然后根據(jù)自編計算軟件利用計算得到的速度場數(shù)據(jù)計算出泵的揚程、功率、效率和流量之間的關(guān)系曲線,并與試驗數(shù)據(jù)進行了比較。結(jié)果表明:在設(shè)計工況附近,預(yù)測值與試驗值吻合較好,在其它工況點,特別是小流量工況點,誤差較大。

應(yīng)用ls-dyna3d軟件對某地下工程改擴建中施工爆破作業(yè)進行了三維數(shù)值模擬,分析了圍巖與襯砌中爆炸應(yīng)力波的傳播特征,指出了原有洞室混凝土襯砌的破壞主要為施工爆破誘發(fā)的反射拉伸波使襯砌拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度所導(dǎo)致拉裂破壞,且破損現(xiàn)象主要發(fā)生在洞室的側(cè)墻部位,為控制襯砌破損的進一步發(fā)展,建議采用臺階法開挖,計算表明臺階法開挖能明顯改善襯砌拉應(yīng)力水平和質(zhì)點振速。

建立包括雙線盾構(gòu)隧道、凍土帷幕、聯(lián)絡(luò)通道以及泵房在內(nèi)的三維數(shù)值模型,模擬了地層凍結(jié)、聯(lián)絡(luò)通道開挖和支護的整個過程。分析了聯(lián)絡(luò)通道以及泵房開挖對凍土帷幕、初支護和主隧道的影響。從而,確定了初支護及凍土帷幕的受力最不利位置和發(fā)生最大變形的位置,并提出相應(yīng)的控制指標(biāo)。

針對突擴跌坎應(yīng)用于高速泄流的深孔中其破壞原因眾說不一的問題,通過對亭子口水利樞紐底孔突擴方案的三維數(shù)值模擬研究,分析了突擴跌坎型的壓強分布、流速分布、底空腔和側(cè)空腔的形態(tài)及整個流態(tài)分布,并進行了物理模型試驗驗證。結(jié)果表明,該突擴跌坎方案布局合理、有效,且物理模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。

本文根據(jù)支流改道工程河道水流的特點結(jié)合通航水流條件研究特性,建立三維河道數(shù)學(xué)模型,對某水電站支流改道工程對下游通航水流條件影響進行了數(shù)值模擬研究,研究成果表明:支流改道后,隧洞出口水流對下游航道的影響范圍有限,僅對出口附近局部區(qū)域內(nèi)水流存在一定影響,且其水位、流速、流向變化值較小,支流改道工程對下游引航道及其連接段的水流條件無明顯影響,由于數(shù)模中支流出口水流采用斷面流速不均勻系數(shù)來概化模擬隧洞出口水流,所以建議設(shè)計在支流出口處加設(shè)消力墩等措施使隧洞出流與主河道水流平順銜接,增加工程安全裕度。

利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型,采用vof法追蹤自由水面,應(yīng)用瞬態(tài)piso算法求解壓力速度耦合的方法,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并在溢流壩頂進行網(wǎng)格加密,模擬計算了七孔溢洪道流場的三維水力特性,得到了設(shè)計工況的泄流能力、水面曲線、速度場。通過物理模型試驗驗證,兩者結(jié)果吻合較好。

應(yīng)用final程序?qū)λ紙厚R岸高邊坡進行了數(shù)值模擬研究,分別研究了清江水布埡南昌市陡邊坡整體三維應(yīng)力場,位移場特征,考慮了巖體結(jié)構(gòu)總體上硬下軟、為層分布等重要特征,研究了邊坡巖體內(nèi)進行地下洞室開挖后邊坡力學(xué)狀態(tài)的改變,基于削坡是水布埡馬岸主陡國的重要整治措施之一,研究中進行了各種分步開挖工況下的削坡有效性定量研究,對重要工況同時進行了vi度地震作用下的動力作用分析。

為預(yù)測閘壩下游局部沖刷坑形態(tài)和發(fā)展,基于fluent動網(wǎng)格技術(shù)對當(dāng)卡水電站下游局部沖刷進行了三維數(shù)值模擬。采用vof水-氣界面追蹤方法來處理閘壩下游沖刷坑內(nèi)復(fù)雜的自由液面,將床面瞬時剪切應(yīng)力作為泥沙起動及運輸?shù)乃畡恿W(xué)條件,計算出不同方向上床底泥沙單寬體積輸沙率,以此為基礎(chǔ)得到河床高程坐標(biāo)的瞬時變化;采用改進的泥沙起動臨界剪切應(yīng)力計算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角時造成的輸沙率數(shù)值計算的異常;采用彈簧光順模型及局部網(wǎng)格重構(gòu)模型實現(xiàn)了閘壩下游局部沖刷坑的三維演化過程。通過分析對比沖刷坑最終形態(tài)表明,數(shù)值模擬值與模型試驗實測值吻合良好,說明數(shù)學(xué)模型計算準(zhǔn)確,結(jié)果可信。

為預(yù)測閘壩下游局部沖刷坑形態(tài)和發(fā)展,基于fluent動網(wǎng)格技術(shù)對當(dāng)卡水電站下游局部沖刷進行了三維數(shù)值模擬。采用vof水-氣界面追蹤方法來處理閘壩下游沖刷坑內(nèi)復(fù)雜的自由液面,將床面瞬時剪切應(yīng)力作為泥沙起動及運輸?shù)乃畡恿W(xué)條件,計算出不同方向上床底泥沙單寬體積輸沙率,以此為基礎(chǔ)得到河床高程坐標(biāo)的瞬時變化;采用改進的泥沙起動臨界剪切應(yīng)力計算公式,有效地避免了床面坡度接近泥沙休止角時造成的輸沙率數(shù)值計算的異常;采用彈簧光順模型及局部網(wǎng)格重構(gòu)模型實現(xiàn)了閘壩下游局部沖刷坑的三維演化過程。通過分析對比沖刷坑最終形態(tài)表明,數(shù)值模擬值與模型試驗實測值吻合良好,說明數(shù)學(xué)模型計算準(zhǔn)確,結(jié)果可信。

清江水布埡水電站是清江上游擬建的一個特大型水電工程，馬崖高邊坡位于水布埡峽谷出口右側(cè)，總體地質(zhì)結(jié)構(gòu)具上硬下軟特征，電站導(dǎo)流洞及尾水洞將從馬崖高陡邊坡坡腳穿出，地下開挖主要在軟巖層中。應(yīng)用ｆｉｎａｌ及ｒｏｃｋｙ程序?qū)λ紙厚R崖高陡邊坡巖體地下開挖進行數(shù)值模擬，研究了邊坡巖體內(nèi)進行地下洞室開挖后邊坡力學(xué)狀態(tài)的改變及洞室?guī)r體（含巖柱）的穩(wěn)定性，基于削坡是水布埡馬崖高陡邊坡的重要整治措施之一，研究中進行了各種分步開挖工況下的削坡有效性定量研究，重要工況還同時進行了ｖｉ度地震作用下的動力作用分析。

傳統(tǒng)采暖房內(nèi)熱環(huán)境的三維數(shù)值模擬——為了分析傳統(tǒng)散熱器采暖房內(nèi)的熱利用效果，在抽象物理模型基礎(chǔ)上，建立散熱器采暖房內(nèi)熱環(huán)境的三維數(shù)值模型，模擬傳統(tǒng)采暖房內(nèi)的熱環(huán)境，基于新型采暖熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)分析散熱器安裝位置對采暖房內(nèi)熱環(huán)境的影響．結(jié)果表明，...