壩身泄水孔窄縫消能工三維水動(dòng)力特性數(shù)值模擬

采用三維紊流數(shù)學(xué)模型模擬某個(gè)處于彎道上的閘壩式水電樞紐工程,得到泄流能力、水面線、流速等水力參數(shù)的分布規(guī)律,并將計(jì)算結(jié)果與水工模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,兩者吻合良好,表明對(duì)水面波動(dòng)不大,或者水面波動(dòng)雖然相對(duì)較大,但摻氣量不大的自由面水流,采用本研究方法能夠得到較高的模擬精度,取得令人滿意的計(jì)算效果.本文的研究方法可以在一定程度上代替模型試驗(yàn),對(duì)工程泄水建筑物方案的優(yōu)選有重要作用.

針對(duì)突擴(kuò)跌坎應(yīng)用于高速泄流的深孔中其破壞原因眾說(shuō)不一的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)亭子口水利樞紐底孔突擴(kuò)方案的三維數(shù)值模擬研究,分析了突擴(kuò)跌坎型的壓強(qiáng)分布、流速分布、底空腔和側(cè)空腔的形態(tài)及整個(gè)流態(tài)分布,并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,該突擴(kuò)跌坎方案布局合理、有效,且物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。

潛水?dāng)嚢铏C(jī)是污水處理的專用設(shè)備,目前對(duì)該攪拌器的檢驗(yàn)、性能比較、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究,采用的是試驗(yàn)的方法,而應(yīng)用數(shù)值模擬軟件優(yōu)化潛水?dāng)嚢璧难芯亢苌佟?yīng)用cfd軟件,利用多重參考系法(mrf),對(duì)潛水?dāng)嚢铏C(jī)的三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分析并研究了潛水?dāng)嚢铏C(jī)的流態(tài)特性,計(jì)算了湍流狀態(tài)下潛水?dāng)嚢铏C(jī)的功率準(zhǔn)數(shù),并得到了功率曲線,為潛水?dāng)嚢铏C(jī)的實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

為減免水電站下泄低溫水對(duì)下游河段生態(tài)環(huán)境的影響,糯扎渡水電站進(jìn)水口擬采用分層取水疊梁門方案。為較好地模擬進(jìn)水口前庫(kù)區(qū)復(fù)雜的地形邊界,采用σ坐標(biāo)系,建立了糯扎渡水電站進(jìn)水口分層取水下泄水溫的三維數(shù)值模型,數(shù)值模擬結(jié)果得到了物理模型試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。在已知庫(kù)區(qū)水庫(kù)水溫分布的條件下,對(duì)不同的疊梁門運(yùn)行方式,數(shù)值模擬了典型水平年十二個(gè)月份的下泄水溫。進(jìn)水口疊梁門方案分層取水對(duì)提高下泄水溫有較為明顯的作用,下泄水溫提高的幅度,不僅取決于疊梁門的高度,還取決于水庫(kù)水溫垂向分布。

三峽工程壩身泄流與下游水體強(qiáng)烈碰撞,產(chǎn)生大量氣泡,當(dāng)氣泡滲透進(jìn)入水體一定深處時(shí),氣泡界面與水體之間的質(zhì)量交換極易導(dǎo)致水體溶解氣體濃度超飽和,可導(dǎo)致魚(yú)類氣泡病。該文應(yīng)用氣泡界面?zhèn)髻|(zhì)理論建立了摻氣水流的溶解氧濃度對(duì)流擴(kuò)散方程,與氣液兩相流混合模型相耦合,模擬計(jì)算了三峽大壩在庫(kù)水位為139m情況下溶解氧濃度變化情況,成功地與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,完善了氣泡界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)公式。對(duì)關(guān)鍵因子進(jìn)行敏感分析,表明氣含率、紊動(dòng)強(qiáng)度、下游水深是決定溶解氧濃度的關(guān)鍵因素。

本文采用k-ε紊流數(shù)學(xué)模型,用vof方法來(lái)模擬跟蹤自由水面,求解三維數(shù)值方程,對(duì)不同體形情況下大壩表孔的泄水建筑物水流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,得出水流流動(dòng)的參數(shù),并計(jì)算出了挑射水流形態(tài)。通過(guò)比較分析,優(yōu)化了泄水建筑物體形,為工程設(shè)計(jì)提供參考。

采用κ~ε雙方程紊流模型模擬了帶摻氣槽岸邊溢洪道具有大曲率水氣交界面的水流流場(chǎng),給出了溢洪道溢流堰、泄槽及挑流鼻坎的壓力分布、流速分布等水力特性并對(duì)摻氣槽摻氣特性進(jìn)行了定性分析.其中部分結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.對(duì)連續(xù)式和差動(dòng)式兩種不同坎型挑流鼻坎消能效果進(jìn)行對(duì)比,給出各自預(yù)挖坑底板紊動(dòng)能分布,結(jié)果表明多股水舌消能效果優(yōu)于單股水舌,可為挑流坎型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

采用rngκ-ε紊流模型和vof方法對(duì)某工程帶斜切型挑坎的溢洪道水力特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究,詳細(xì)描述了斜切型挑坎處的流速、壓強(qiáng)等重要特性的分布規(guī)律,分析了挑射水舌挑距、入水速度等參數(shù)特點(diǎn),指出挑射水股將偏向左側(cè)河道中心位置,減輕對(duì)右岸河床的沖刷。將部分結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比,符合良好,驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性,可為挑坎體型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

在運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)水流流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí),僅依靠一維或二維模型還無(wú)法兼顧部分模擬區(qū)域的真實(shí)水力學(xué)變化,因此有必要展開(kāi)流場(chǎng)三維模擬。利用流體力學(xué)軟件flow-3d,建立分層水庫(kù)近壩區(qū)的浮力流三維數(shù)值模型,對(duì)近壩段水流結(jié)構(gòu)以及水電站下泄水溫進(jìn)行精確模擬。分析了相同水溫分層條件下,不同浸沒(méi)高度、不同流量對(duì)下泄水溫的影響,同時(shí)對(duì)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(méi)深度,取水口前流場(chǎng)基本不發(fā)生變化,對(duì)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(duì)下泄水溫影響很大。

建立水電站進(jìn)水前池內(nèi)流動(dòng)的k-ε紊流數(shù)值模型,采用vof方法,對(duì)高水頭小流量引水式電站進(jìn)水前池內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。計(jì)算得出了沖擊式水輪機(jī)在引用設(shè)計(jì)流量1.94m3/s時(shí)前池內(nèi)水流流態(tài),底板壓力分布,及壓力鋼管進(jìn)口流速分布以及在針閥突然關(guān)閉時(shí),前池內(nèi)水面涌高時(shí)水面線形狀。數(shù)值計(jì)算結(jié)果結(jié)合常規(guī)理論分析可以為工程設(shè)計(jì)提供參考。

考慮海灣地區(qū)水體密度分布不均所引起的密度梯度和斜壓效應(yīng),建立正交曲線坐標(biāo)下基于σ坐標(biāo)的三維斜壓水流和溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型。將該模型應(yīng)用于象山灣內(nèi)某電廠的溫排水運(yùn)動(dòng)特性研究,計(jì)算所得的潮位和流速與原體觀測(cè)資料吻合良好,所得溫排水的溫升范圍以排水口為中心,隨灣內(nèi)漲、落潮呈帶狀分布,排水口近區(qū)熱分層現(xiàn)象明顯,溫升分布計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。

袁店一井煤礦東風(fēng)井立井掘砌施工期間,采用打泄水孔與井下已有巷道連通,井壁淋水及井筒涌水通過(guò)泄水孔下泄至已有巷道,并通過(guò)永久排水系統(tǒng)排至地面的治水方案,有效地解決了水患問(wèn)題,為井筒的順利掘砌創(chuàng)造了良好條件,為類似礦井的水害治理提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

利用rsm模型模擬計(jì)算三維水力旋流器模型,分析了計(jì)算結(jié)果,并且與相關(guān)文獻(xiàn)比較后認(rèn)為:三維模型模擬水力旋流器具有一定的可行性,而二維軸對(duì)稱模型與實(shí)際有一定的差距。

運(yùn)用cfx流動(dòng)軟件的滑移網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)工業(yè)中常用的dl型多級(jí)沖壓離心泵整級(jí)進(jìn)行了全三維瞬態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬,分析泵內(nèi)葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干擾問(wèn)題?；凭W(wǎng)格分別設(shè)置在多級(jí)離心泵葉輪出口、固定導(dǎo)葉入口與泵內(nèi)流體之間的交互界面,對(duì)每個(gè)時(shí)間步求解流動(dòng)方程。在任一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),分析葉輪入口和出口的總壓值出現(xiàn)脈動(dòng)信號(hào)頻率與葉輪葉片數(shù)的關(guān)系。分析了葉輪入口和出口處總壓波動(dòng)的幅度。該三維非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果為多級(jí)沖壓離心泵的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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

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

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(jìn)行網(wǎng)格加密,模擬計(jì)算了七孔溢洪道流場(chǎng)的三維水力特性,得到了設(shè)計(jì)工況的泄流能力、水面曲線、速度場(chǎng)。通過(guò)物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證,兩者結(jié)果吻合較好。

水電站沉沙池按常規(guī)大多布置在樞紐首部,由于受地形地質(zhì)條件限制,因此可將沉沙池同壩體相結(jié)合,以滿足空間布置要求,而在此條件下對(duì)沉沙池的沉沖沙效果提出了更高的要求.通過(guò)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了某水電站壩身式沉沙和沖沙系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的水力學(xué)問(wèn)題,提出了裁彎取直、加分流墩、增加整流池以及改變沖沙方式等措施,在此基礎(chǔ)上,對(duì)沉沙和沖沙兩種工況下沉沙池內(nèi)的水流流態(tài)、斷面流速分布等水力特性進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究.結(jié)果表明,沉沙池優(yōu)化后,沉沙和沖沙效果均能夠滿足設(shè)計(jì)要求;優(yōu)化后的沉沙池在沉沙工況時(shí)其內(nèi)水流流速較小、分布更加均勻,便于泥沙沉降,沖沙工況下水流能夠集中在沖沙底孔進(jìn)入沉沙池,水流流速較大,可以順利將泥沙沖出沉沙池.

波浪是船舶與海洋工程中常見(jiàn)的一種動(dòng)力因素,對(duì)于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物,研究波浪的沖擊作用對(duì)其設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析等有著重要的意義。隨著計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展與計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提升,數(shù)值造波水池逐漸成為熱點(diǎn)且技術(shù)日臻成熟,為海洋工程的數(shù)值模擬計(jì)算提供了良好的基礎(chǔ)。本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件fluent,建立了三維數(shù)值波浪水槽,以源函數(shù)造波法對(duì)三維stokes波進(jìn)行了簡(jiǎn)單模擬。本計(jì)算模型中采用n-s方程與湍流模型,用vof法進(jìn)行自由表面追蹤,對(duì)3種不同工況波浪進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),證明了fluent對(duì)波浪有良好的模擬效果。

采用k-ε紊流模型模擬某水電站2號(hào)孔板泄洪洞三維水流運(yùn)動(dòng),模擬結(jié)果與原型試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果研究,獲得了流速、壓力和紊動(dòng)能等水力要素的分布規(guī)律,三者均在孔板附近劇烈變化,詳細(xì)地反映了孔板泄洪洞的消能特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明,用k-ε紊流模型來(lái)研究孔板消能的水力特性是可行的,可以與物理模型并用,更為深入地研究?jī)?nèi)部機(jī)理和消能特點(diǎn),并為孔板泄洪洞的應(yīng)用提供可靠的參考依據(jù)。

減壓孔板是消防系統(tǒng)中不可缺少的減壓設(shè)施,對(duì)其正確的設(shè)置與計(jì)算是消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)。借鑒前人基于設(shè)計(jì)手冊(cè)中水頭損失公式進(jìn)行改進(jìn)的做法,采用數(shù)值模擬方法,對(duì)減壓孔板的水力特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明,隨著出流流量的增加,減壓孔板作用增強(qiáng),壓降幅度增大,孔徑d與管徑d比(d/d)越小降壓效果越明顯。

應(yīng)用有限單元法對(duì)大壩蓄水后的三維滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，比較了各種滲控措施的效果，并提出了優(yōu)化方案。提出了能迅速精確模擬廠房周圍排水井列的新方法——附加滲徑元法，首次對(duì)具體工程雙道防滲墻局部損壞—開(kāi)裂和開(kāi)叉后滲流場(chǎng)的影響進(jìn)行了分析，并提出了允許縫寬和開(kāi)叉高度