亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        泵閘工程閘下雙底坎整流的水力特性

        2020-02-28 07:52:40馮建剛李志祥錢尚拓
        水利水電科技進展 2020年1期
        關(guān)鍵詞:沿程水閘水流

        馮建剛,李志祥,錢尚拓

        (1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

        泵閘工程中泵站和水閘共用進出水流道,相對于分建工程減少了占地面積和工程量,降低了工程造價,因而得到廣泛應(yīng)用。泵站與水閘分別建于流道兩側(cè)(簡稱為分側(cè)式)是泵閘工程的主要布置形式[1],水閘在單獨運行時存在如下不良流態(tài):出閘水流越過消力池后,由于缺少泵閘隔墻的約束,向泵站側(cè)突擴,容易產(chǎn)生斜向水躍,沖刷流道并產(chǎn)生破壞;水閘、泵站兩側(cè)水流動量的顯著差異將在泵站側(cè)形成較大的回流區(qū)和橫向流速,產(chǎn)生偏流問題。上述流態(tài)嚴(yán)重影響泵閘工程的安全性和運行效率,還會對有通航任務(wù)的下游河道產(chǎn)生不利影響[2]。因此,研究泵閘工程出閘水流的水力特性,探索有效的整流措施具有重要意義。

        研究人員針對泵閘工程出閘水流的水力學(xué)問題開展了大量的物理模型和數(shù)值模擬研究[3-5],得出在消力池下游設(shè)置底坎能夠取得較好的整流效果。王法猛等[2]嘗試在下游海漫段設(shè)置八字形底坎,通過模型試驗發(fā)現(xiàn)其有利于下游河道的通航安全。曾昊等[6]采用數(shù)值模擬的方法論證了“一”字形底坎作為整流措施改善出閘水流流態(tài)。然而,當(dāng)水閘在高水深和大流速條件下運行時,單一底坎難以達到較好的整流效果[7-8]?,F(xiàn)有研究較少涉及多底坎整流問題,并且對三維流場中底坎整流機理認(rèn)識有限[9]。另外,相關(guān)問題的數(shù)值模擬主要采用對稱面的剛蓋假定法,難以模擬閘門控制條件下,上、下游水位落差大時,過坎水流產(chǎn)生雍高和斜向水躍等的真實流動特征。

        本文采用流體體積(volume of fluid,VOF)法追蹤水流自由表面的數(shù)值模擬,嘗試探討底坎整流效果和機理;研究分側(cè)式閘站工程閘下雙底坎整流的水力特性,分析水閘運行條件和雙底坎結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力特性的影響;提出雙底坎優(yōu)化設(shè)計,為泵閘工程的整流措施設(shè)計提供依據(jù)。

        1 模型建立

        1.1 模型設(shè)計

        圖1是上海市某泵閘工程的布置示意圖。泵站和水閘分別布置于河道左側(cè)和右側(cè),中間由泵閘隔墻分隔。河道總寬36.0 m,水閘閘室寬13.5 m,底板高程-1.0 m,消力池底板高程-1.5 m,河道底高程-1.0 m。選取長度為190.8 m河段進行研究,以右側(cè)河岸線閘前5 m處為原點,右側(cè)河岸線為x軸,垂直河岸線為y軸建立坐標(biāo)系(圖1)。閘門位于x=5 m處,設(shè)計閘門開度0.8 m,另取x=120 m處為河道典型斷面。物理模型設(shè)計按重力相似準(zhǔn)則,綜合考慮模型水流在阻力平方區(qū)的要求確定模型幾何比尺λL=20[10]。圖2為物理模型。

        圖1 泵閘工程布置示意圖(單位:m)

        圖2 物理模型

        表1為底坎體型布置方案,包括1個無坎方案、1個單坎方案和8個雙坎方案,其中h1、h2分別為一坎、二坎的坎高,d1、d2分別為一坎、二坎迎水面與泵閘隔墻末端的間距。預(yù)備試驗表明,當(dāng)?shù)卓埠穸刃∮?~6倍坎高時,其對流態(tài)和整流效果影響有限[11],因此不考慮坎厚的影響,統(tǒng)一取0.6 m。

        表2為水閘的運行條件,包括上游水位H1、下游水位H2以及下游出口弗勞德數(shù)Fr。

        表1 底坎體型布置參數(shù) m

        表2 水閘運行條件

        1.2 計算模型

        控制方程為

        (1)

        (2)

        本文應(yīng)用RNGk-ε湍流模型處理閘下的高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動[12]。形式如下:

        (3)

        (4)

        η=(2EjiEij)0.5κ/ε

        式中:κ為紊動能;ε為耗散率;μt為動力渦黏系數(shù);μ為動力黏滯系數(shù);Gκ為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能;ακ、αε分別為κ、ε對應(yīng)的Prandtl數(shù);模型常數(shù)η0=4.377、β=0.012、C1ε=1.42、C2ε=1.68。

        Flow-3D基于結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格的Favor方法對計算域進行劃分,具有網(wǎng)格需求量較小,計算速度更快的特點[13-14]。湍流模型所結(jié)合的VOF法通過定義計算網(wǎng)格內(nèi)流體體積分?jǐn)?shù)F∈[0,1],能有效捕捉水氣交界面的變化和水體的飛濺、摻氣[15-16]。F=0說明該網(wǎng)格內(nèi)全為氣體,F=1說明該單元網(wǎng)格內(nèi)全為水,當(dāng)0

        邊界條件:上游給定固定壓力入口,空氣與外界接觸的界面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的開敞式邊界,壁面為無滑移固體壁面條件,出口條件為給定下游水位。

        圖3為計算模型網(wǎng)格劃分圖,其中x軸、y軸與圖1一致,z軸豎直向上。用物理模型試驗測得的過閘流量進行網(wǎng)格無關(guān)性分析。表3為網(wǎng)格無關(guān)性分析表,選取4套網(wǎng)格總量方案(50萬、100萬、200萬和400萬)進行對比。模型試驗測得過閘流量為37.71 m3/s,數(shù)模計算的流量均小于實際流量,但隨著網(wǎng)格量的增加,其差值越來越小。當(dāng)網(wǎng)格總量達到200萬時,其流量與模型試驗測得值偏差為1.27%,能很好滿足速度場精度要求。綜合考慮計算精度和計算成本,最終采用30 cm×30 cm×30 cm的立方體網(wǎng)格,網(wǎng)格總量約200萬。

        圖3 計算模型網(wǎng)格劃分

        表3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

        1.3 數(shù)模驗證

        針對雙底坎方案m31(簡稱m31,類似同此),選取水面波動較大的工況4,通過對比數(shù)模和物模的水面線、典型斷面流速分布等結(jié)果,分析本文采用數(shù)模方法的可靠性[17-18]。

        圖4為閘室中心剖面水面線沿程變化,可見數(shù)模和物模結(jié)果在消力池水躍段吻合度較高,僅在坎后局部區(qū)域存在少量偏差。

        圖4 閘室中心縱向剖面沿程水面線

        圖5為典型斷面流速vx沿y軸分布情況,其中vx為表、中、底層沿x軸方向流速平均值。數(shù)模計算的典型斷面vx整體略小于試驗值,分析數(shù)值模擬產(chǎn)生誤差原因可能有:控制方程及其離散方法、迭代步長和網(wǎng)格劃分,尤其是消力池等關(guān)鍵部位網(wǎng)格沒有充分加密??傮w而言,數(shù)模計算與物模試驗得到的流速變化趨勢基本一致,最大流速均出現(xiàn)在y=24 m附近。

        圖5 典型斷面vx沿y軸分布

        2 結(jié)果與分析

        2.1 流態(tài)特征

        圖6 m00自由液面和流速

        圖6為無坎方案m00的自由液面及流速計算結(jié)果。圖6(a)中出閘水流在消力池內(nèi)形成遠(yuǎn)驅(qū)式水躍,池末水面壅高,由于泵站側(cè)突擴,在與下游水位銜接時發(fā)生跌落。跌落過程中,水流沖擊邊墻,同時邊墻施加反作用力,迫使水流轉(zhuǎn)向,在下游河道形成交叉的斜向水躍。遠(yuǎn)驅(qū)式水躍與斜向水躍之間的跌落區(qū)最大流速可達6.04 m/s,超過河床設(shè)計抗沖流速。另外,由于消能不足,斜向水躍下游產(chǎn)生系列弱水躍,水面波動較大,不利于通航和岸墻的穩(wěn)定。

        圖6(b)流速云圖和流線圖表明,出閘水流流出泵閘隔墻后,受到水閘泵站兩側(cè)動量梯度的驅(qū)動,在泵站側(cè)形成大尺度回流,回流區(qū)范圍內(nèi)容易產(chǎn)生泥沙淤積等問題。另外,回流區(qū)壓縮主流過流寬度,不僅使得該處斷面流速增大,造成局部沖刷,而且減小了水閘的過流能力。主流在回流區(qū)下游向左岸突擴,流向變化顯著

        圖7是單坎方案m11和雙坎方案m33在工況5條件下的自由液面圖。對比m00(圖6(a)),m11通過設(shè)置底坎使得斜向水躍前移,跌落區(qū)范圍縮小,最大流速降至5.37 m/s。此外,m11下游水面波動也有所減小,但坎后仍出現(xiàn)較大的跌落區(qū)。m33中,消力池內(nèi)水躍漩滾區(qū)移動至消力池前端,兩坎間存在強烈的水面波動,水躍形態(tài)由單坎方案的交叉的斜向水躍轉(zhuǎn)變?yōu)榛⌒嗡S。雙坎使得跌落區(qū)范圍明顯縮小,最大流速降至3.64 m/s,而且相比單坎,更能有效地降低下游水面波動。

        圖7 m11、m33自由液面

        水流擴散角α表達為

        (5)

        其中Δb=B-b

        式中:b為閘室寬度;B為河道寬度;L為水流開始擴散(即泵閘隔墻末端所處的x=40.8 m斷面)至全斷面過流,沿x軸方向的距離。擴散角反映水流擴散的快慢,擴散角越大,偏流程度越弱,整流效果越好。

        中國武術(shù)對外教材“走出去”是推動武術(shù)國際化發(fā)展的重要內(nèi)容,在新時代到來之際,每一位中華兒女都應(yīng)該承擔(dān)起中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承與發(fā)展的重任,實現(xiàn)文化自信。中國武術(shù)對外教材“走出去”的進程中,也面臨著種類匱乏、內(nèi)容缺乏標(biāo)準(zhǔn)、語種單一和翻譯雜亂等主要問題。要更好地推動中國武術(shù)對外教材“走出去”,應(yīng)選擇適合現(xiàn)實境況的發(fā)展道路。主管部門應(yīng)加大關(guān)注的力度,充分了解受眾需求;中國應(yīng)繼續(xù)加強和其他國家的雙邊合作;中國武術(shù)應(yīng)構(gòu)建傳播力和充分利用平臺優(yōu)勢為自身傳播創(chuàng)造便利條件。

        (6)

        式中:m為典型斷面的單元個數(shù);ux為典型斷面各單元的x方向速度;uz為典型斷面各單元的z方向速度。速度加權(quán)平均角度反映典型斷面處的水流偏轉(zhuǎn)程度。

        表4 無坎、單坎和雙坎方案的及Q對比

        2.2 機理分析

        圖8是m00、m11和m33在工況5條件下的紊動能云圖及底坎附近的流線圖。m00中最大紊動能發(fā)生于斜向水躍附近,高紊動能區(qū)域甚至延伸到計算域之外;m11中高紊動能區(qū)域主要位于底坎附近;m33中高紊動區(qū)域主要位于消力池內(nèi)和兩坎之間。由此可知,底坎通過產(chǎn)生漩滾、水面波動等,在附近形成高紊動能區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)水體劇烈摻混、碰撞,動能快速交換,控制紊動能向泵站側(cè)低動能水體傳遞,促使下游河道在更短距離內(nèi)達到平順過流。對比單坎,雙坎產(chǎn)生的局部紊動能更強,能獲得更好的整流效果。底坎附近流線圖顯示了水微元體的運動特征。底坎通過擠壓來流,迫使水流發(fā)生翻越底坎的上爬運動和繞坎流向坎兩端的橫向運動,坎后的部分水流發(fā)生螺旋式橫向移動,進一步反映了底坎的整流機理。

        圖8 m00、m11和m33的紊動能云圖及底坎附近流線

        2.3 回流特性

        圖9為出閘水流在下游河道產(chǎn)生的回流區(qū)特征[20-22]。

        圖9 出閘水流在下游河道的回流區(qū)特征

        在泵閘隔墻下游,水閘、泵站兩側(cè)水體的流速不同,將形成較大流速梯度,受水的黏滯作用,產(chǎn)生紊動切應(yīng)力。在紊動切應(yīng)力的作用下,回流區(qū)內(nèi)靠近主流的水體隨主流向下游流動形成摩擦流,遠(yuǎn)離主流的水體形成流速相反,呈現(xiàn)先大后小的補償流。利用斷面流量平衡方法確定回流區(qū)和主流區(qū)邊界線:主流區(qū)內(nèi)流量始終為過閘流量;回流區(qū)內(nèi)摩擦流的正向流量與補償流的反向流量相等;vx=0為摩擦流和補償流的分界線。

        圖10為m21各工況回流區(qū)特性,包含中層水流沿x軸方向的流速云圖及矢量圖。工況1至工況5下游出口Fr逐漸增大,下游水深逐漸降低。回流區(qū)范圍隨Fr數(shù)的增大,逐漸由橢圓狀變?yōu)楠M長,直至消亡。

        圖10 m21各工況回流區(qū)特性

        表5為各方案在工況1條件下的回流區(qū)范圍、回流速度和回流強度。為定量對比不同方案對回流區(qū)的影響,選取工況1作為分析對象?;亓鲄^(qū)長度為回流區(qū)末端與泵閘隔墩之間沿x軸方向的距離,回流區(qū)寬度指回流中心(vx=vy=0)處寬度。回流速度指補償流最大流速所處斷面的平均流速?;亓鲝姸葹榛亓魉俣扰c面積的乘積。

        表5 工況1各方案回流區(qū)范圍、回流速度和回流強度對比

        對比m21、m22和m31可知,當(dāng)雙坎位置均保持不變時,隨著二坎坎高增大,回流區(qū)范圍、回流流速、回流強度均降低。因為二坎在一坎基礎(chǔ)上促使水流進一步擴散,隨著坎高增大,漩滾強度增大,水流摻混、碰撞效果提高,減小主流和回流區(qū)的流速梯度,減弱紊流切應(yīng)力,從而降低回流區(qū)的尺寸及強度。然而Liu等[5-6]研究表明,當(dāng)?shù)卓哺叨瘸^下游0.5倍水深時,流態(tài)可能發(fā)生惡化,因此當(dāng)坎高超過本文研究范圍時需要進一步研究。

        對比m31至m36可知,隨著二坎間距增大,回流區(qū)范圍、回流區(qū)流速和回流區(qū)強度先減小后增大,當(dāng)二坎間距為22 m時達到最小值。由此可得,當(dāng)二坎間距較小時,漩滾填充雙坎之間的空間,雙坎近似等效于一個寬頂堰,其整流效果相對有限;當(dāng)二坎間距較大時,二坎可能將原有的回流區(qū)分割為兩個,從而惡化下游流態(tài)。

        2.4 流速均勻性

        流速均勻性也能反映整流效果,引入不均勻系數(shù)k來評估流場的流速均勻性[5,18,23-24]:

        (7)

        由量綱分析可知沿程不均勻系數(shù)k=f(Fr,h2/b,d2/b,x/b)。k值受3類因素影響:①相對距離x/b;②結(jié)構(gòu)參數(shù)h2/b、d2/b;③運行條件,即下游出口斷面處Fr。

        圖11為k值與相對距離、結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系,用以研究相對距離和結(jié)構(gòu)參數(shù)對k值的影響。圖11(a)為工況1不同方案不均勻系數(shù)的沿程變化,總體來看不均勻系數(shù)隨相對距離x/b增大而減小。工況1回流區(qū)的存在使得k值出現(xiàn)增大現(xiàn)象。由式(7)可知,回流區(qū)的vimin為反向流速,vimax受回流區(qū)壓迫變得更大,而速度均值并未發(fā)生明顯變化,所以圖像出現(xiàn)峰值。隨后水流在河道內(nèi)自行調(diào)整,在x/b=9.5處流速基本不再變化。

        圖11 k值與相對距離、結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系

        通過豎向?qū)Ρ雀鞣桨傅难爻蘫值,擁有更高底坎和更大間距的方案位于下方,就意味著同一距離處,高坎大間距方案的不均勻系數(shù)更小;橫向?qū)Ρ?若想獲得相同的不均勻系數(shù),低坎小間距的方案則需要更長的距離調(diào)整水流。

        圖11(b)為工況5典型斷面處的不均勻系數(shù)與坎高、間距的關(guān)系。從圖圖11(b)可以清晰地看出k與結(jié)構(gòu)參數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系,k隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大,先減小再增大。相對間距為1.0、相對坎高為0.07時k有最小值。

        圖12為不同F(xiàn)rm33不均勻系數(shù)的沿程變化??傮w看,高Fr位于圖像下方,意味著k和Fr負(fù)相關(guān)。不同F(xiàn)r下,k仍舊隨x/b的增大而減小,但是減小趨勢有所不同。在x/b=6左側(cè),更高Fr的水流,k沿程下降更快,表現(xiàn)為陡峭;低Fr水流的k沿程下降緩慢,甚至當(dāng)Fr=0.07時出現(xiàn)了明顯增長。而在x/b=6右側(cè),則呈現(xiàn)相反的變化,低Fr的水流k沿程下降劇烈,高Fr水流k沿程下降緩慢,后半段甚至漸漸斂于水平線。所以,隨著Fr增大,圖像線形逐漸從上凸變成下凹。可以給出這樣一個解釋:由Fr的定義可知,當(dāng)Fr從低變高時,水深便從深變淺,流速從小變大。高水深,低流速的水流(如工況1,Fr=0.07),由對圖11的解釋可知,下游產(chǎn)生的回流區(qū)升高了k值,出現(xiàn)了上凸。低水深,高流速的水流(如工況5,Fr=0.78)其下游的回流區(qū)消失,且由于水深降低更易受底坎整流效果的影響,k下降劇烈,可以很快地得到穩(wěn)定的流速分布,沿程不再發(fā)生明顯變化,所以線形出現(xiàn)了下凹,后半段漸漸收斂于水平線。

        圖12 m33中Fr與沿程k值關(guān)系

        由以上的討論可以得出:k與x/b、Fr負(fù)相關(guān),與h2/b、d2/b呈二次函數(shù)關(guān)系,即k值隨h2/b、d2/b的增大,先減小后增大?;趉的變化規(guī)律,可得雙底坎結(jié)構(gòu)參數(shù)對流速均勻性的影響:流速均勻性隨著二坎坎高、間距的增大,先提高后降低。

        水閘實際運行條件十分復(fù)雜,宜綜合考慮回流特性和流速均勻性變化,選擇適用于各個水流情況的雙底坎體型布置參數(shù)范圍:一坎間距為(0.5~0.6)b,二坎的間距在(1.5~1.8)b,坎高選擇為(0.07~0.1)b。

        3 結(jié) 論

        a. Flow-3D中VOF法的RNGk-ε湍流模型計算得到的水面線、斷面流速和模型試驗資料吻合度很高,說明該計算模型能夠有效追蹤自由液面,模擬復(fù)雜水力現(xiàn)象,如水躍漩滾、水面雍高等。

        b. 底坎能有效處理泵閘工程中出閘水流在下游產(chǎn)生的偏流、回流、斜向水躍等不良流態(tài),相比較無整流措施,其出閘水流擴散角增大7.03%,流量增大10.72%。雙底坎通過二坎對來流的再調(diào)整,相比較單坎能更快擴散水流,消弱下游水面波動。

        c. 通過對回流特性和不均勻系數(shù)的研究發(fā)現(xiàn):回流強度、回流速度等回流參數(shù)與二坎坎高負(fù)相關(guān),與間距呈二次函數(shù)關(guān)系,即隨間距的增大,先減小后增大;流速不均勻系數(shù)與Fr負(fù)相關(guān),與二坎坎高、間距均呈二次函數(shù)關(guān)系,即隨坎高、間距的增大,先減小后增大。

        本文為了簡化計算和降低試驗成本,沒有考慮雙底坎之間的耦合作用,需要進一步研究。

        猜你喜歡
        沿程水閘水流
        哪股水流噴得更遠(yuǎn)
        不同微納米曝氣滴灌入口壓力下迷宮流道沿程微氣泡行為特征
        能俘獲光的水流
        典型生活垃圾爐排焚燒鍋爐沿程受熱面飛灰理化特性分析
        我只知身在水中,不覺水流
        文苑(2020年6期)2020-06-22 08:41:56
        基于井下長管線沿程阻力損失的計算研究
        液壓與氣動(2020年5期)2020-05-22 03:34:40
        2016年河南省已建成水閘數(shù)量
        全省已建成水閘數(shù)量
        河南省2014年已建成水閘數(shù)量
        黃基支涌水閘泵站泄洪水閘弧形閘門安裝方法
        久久精品久久久久观看99水蜜桃 | 99久久久精品免费香蕉| 亚洲av综合色区久久精品天堂| 久久久精品国产亚洲av网麻豆| 少妇愉情理伦片丰满丰满| 精品人妻系列无码人妻免费视频| av资源在线看免费观看| 中文字幕亚洲综合久久久| 亚洲av综合色区无码另类小说| 无码午夜成人1000部免费视频| 欧美人与禽交zozo| 国产成人高清亚洲一区二区| 麻豆亚洲一区| 男男车车的车车网站w98免费| ZZIJZZIJ亚洲日本少妇| 人妻秘书被社长浓厚接吻| 欧美性高清另类videosex| 国产超碰人人做人人爱ⅴa| 日本色偷偷| 日本高级黄色一区二区三区| 精品国产这么小也不放过| 亚洲第一成人网站| 精品亚洲一区二区视频| 亚洲一区二区免费在线观看视频| 国产精品亚洲欧美大片在线看 | 亚洲日韩国产一区二区三区| 日本www一道久久久免费榴莲 | 久久99国产精品久久99| 人妻被黑人粗大的猛烈进出| 精品999无码在线观看| 蜜桃传媒网站在线观看| 国产婷婷色综合av蜜臀av| 99久久99久久久精品久久| 亚洲国产女同在线观看| 亚洲熟妇av一区| 男人无码视频在线观看| 中文少妇一区二区三区| 亚洲大尺度无码无码专区| 中文字幕乱码免费视频| 国产午夜精品美女裸身视频69| 国产精品日韩av一区二区|