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急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究_郭红民

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急流弯道双曲底板的体形设计

急流弯道双曲底板的体形设计
[4]
2 计算实例
2.1 工程概况 山东省的马河水库位于南四湖流域湖东地区的北沙河上游，水库总库容1.38亿m ，兴利 3 库容为0.6989亿m 。该水库溢洪道全长936m，底坡为1/200，其圆弧形弯道段处于桩号0+289～0+530.7，中 心半径为250m，圆弧中心角为55.375°，该段为底宽33m的矩形断面。当发生千年一遇洪水时，其最高水 3 位是114.02m，下泄流量为1169.0m /s。在现状条件下，弯道内发生急流冲击波，其最高水位为108.91m， 将发生漫溢现象。 2.2 设计要求 当发生千年一遇洪水时，马河水库溢洪道的弯道段将发生漫溢，通过改进弯道段体形 的设计，使弯道段与上、下游河段的衔接顺畅，并且水面没有冲击波的影响，不发生漫溢。 2.3 双曲底板弯道 的 设计计算 及 其成果 新的弯道，选用新的平面轮廓，采用双曲底板，但其起点和 终点桩号仍需维持不变，以便于原溢洪道上、下游衔接。其起点处tgβk0=-0.005，终点处tgβkk=-0.005， 落差△z=1.21m，弯道末端断面的计算宽度B1=118.56m，αkk=135°。按式(13)得L0=242m，求解式(1)和(2) 时，将宽度33m分割为33片，即取△n=1/33，且沿水深方向将每片分成10层，将整个弯道分成10段，按照 上述的计算步骤进行计算，可得最高水位为108.57m(低于原弯道的最高水位108.91m)，同时可计算出各横 断面的渠底高程及水面高程，绘制出自由水面及渠底横断面，如图2所示。内外墙处的水面及河底的纵 断面图，见图3。双曲底板弯道平面轮廓图，见图4。
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sk =0
d 4 yin α kk；
sk = 0
d 2 yk 2 ds k
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sk = 0

水库溃坝计算及社会环境影响评估探讨

水库溃坝计算及社会环境影响评估探讨

水库溃坝计算及社会环境影响评估探讨摘要：水库溃坝计算，为防汛抢险指挥调度提供重要依据，以便及时转移受威胁群众，减少人员和财产损失。

关键词：溃坝；原因；类型；方案拟定；计算；影响分析。

兴修水库，对于防洪、灌溉、发电、航运、抢险、养殖等都起着很大的作用，但由于某些偶然因素或特种原因，可能使坝身遭受破坏，而发生溃坝事故。

为研究坝体溃决时下游洪水传播规律，以及为溃坝风险评估、应急预案、洪水风险图编制提供依据，以便指挥人员迅速决策，提供重要依据，确保下游受威胁地区的人员及财产及时转移至安全地带，避免遭受重大损失，需要进行水库溃坝洪水计算机溃坝环境影响评价。

1 水库溃坝原因及类型超标准洪水导致的暴雨洪水漫顶、渗漏、管涌、坍岸、冰压力等；设计与施工质量及运行管理不当、人为导致的恐怖破坏和强烈地震等一种或多种原因综合作用造成的导致坝体溃坝。

根据溃坝过程的时间长短，分为瞬时全溃、瞬时局部溃决、逐渐全溃、逐渐局部溃决；根据溃坝缺口规模大小，分为全部溃坝和局部溃坝；其中，局部溃决可分为，沿坝长方向部分区域发生溃决缺口，其深度留着一定高度的坝体横向局部溃决，另一种为在大坝局部区域发生溃决缺口，其深度达到坝基的纵向局部溃坝，有时另种溃决类型同时出现，对于刚性坝，如重力坝、拱坝、浆砌石坝，支墩坝等一般多发生瞬时溃坝且多出现局部溃坝；对于散粒坝体，如土坝、堆石坝等受水流冲刷，坝体受到破坏达到一定程度后，才发生的溃坝，为逐渐溃坝类型。

同时，散粒体坝多属溃决到坝基的纵向局部溃决，水库在很短的时间内，全部泄空。

2水库溃坝计算中的假定条件(1)大坝发生溃决时，水库的运行状态为正常，各孔口完全开启，按照最大泄量泄洪，坝前水位不变。

(2)不考虑坝体淤积和坝下游冲刷情况。

(3)区间入流与区间水量损失，如果相对溃坝流量比较小时，可以忽略不计。

(4)下游泄洪道的堤防相对于溃坝泄洪淹没范围而言，对水流的影响忽略不计。

(5)溃坝前下游无水或有水，但不流动。

连续弯道水流特性的试验研究

连续弯道水流特性的试验研究
２ ． Ｃｏ ｌ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ Байду номын сангаас ｉ ｖ ｅ Ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ Ｇ ｅ ｏ — Ｈａ ｚ ａ ｒ ｄ ｓ ａ ｎ ｄ Ｅｃ ｏ － Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ｉ ｎ Ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ Ｇ ｏ ｒ ｇ ｅ ｓ Ａ ｒ ｅ ａ，Ｙｉ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ４ ４ ３ ０ ０ ２， Ｈｕ ｂ ｅ ｉ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａｎ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ｍａ ｄ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｎ ｄ ｅ ｉｎ ｒ ｇ ｉ ｒ ｖ ｅ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏｒ ｆ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ — ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ；ｆ ｏ ｒ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｏ ｗ ｖ ｅ —
４ ． Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｓ ｅ ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ，Ｙ ｅ ｌ ｌ ｏ ｗ Ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ，Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ４ ５ ０ ０ ０ ３ ，Ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
１ ｙ ｚ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉｍｅ ｒ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｎ ｇ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ ｎ ｌ ａ ｔ ｉ ｍｅ — ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｓ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｒ ｎ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｘ ｂ ａ ｎ ｋ ａ ｎ ｄ ｉ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ａ ｖ ｅ ｏ ｎ ｅ ，ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉｖ ｒ ｅ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ａ ｌ ｏ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｗａ ｙ ．Ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｉ ｆ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｎ ｇ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ － ｎ ａ ｌ ｔ ｉ ｍｅ — ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ — ｔ ｏ ｐ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｓ ｎ ｅ ａ ｒ ａ ｐ ａ ｒ ａ ｂ ｏ ｌ ｉ ｃ — ｔ ｙ ｐ ｅ ；ｍｅ ａ ｎ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ａ ｐ —

库区连续急弯段的通航水流条件研究

库区连续急弯段的通航水流条件研究

库区连续急弯段的通航水流条件研究
陈野鹰;李兴亮;刘志敏
【期刊名称】《水道港口》
【年(卷),期】2016(037)005
【摘要】根据水力学原理和弯道河床特性分析，并通过整体水工模型试验，研究库区连续急弯段的通航水流条件及其改善措施。

针对急弯河段存在的水流集中、流速峰值大、涡流、螺旋流同时出现，水流条件不能满足通航要求的问题，研究提出了填潭、河道扩挖和切除凸嘴的综合整治措施，可以消除旋流、降低航道内流速峰值，从而改善通航水流条件，提升通航流量。

【总页数】4页(P520-523)
【作者】陈野鹰;李兴亮;刘志敏
【作者单位】重庆交通大学河海学院，重庆400074;重庆交通大学河海学院，重庆400074;湖南省交通规划勘察设计院，长沙410008
【正文语种】中文
【中图分类】TV851;U642
【相关文献】
1.急弯河段通航水流条件与航道宽度关系研究 [J], 王常红;何文辉;程小兵;李旺生
2.三峡库区汛期日调节通航水流条件一维数学模型 [J], 孟祥玮;戈龙仔;刘红华
3.通航建筑物口门区及连接段通航水流条件研究 [J], 卢文蕾;陈作强;
4.窄深河道急弯下游枢纽上引航道布置及通航水流条件试验 [J], 刘亚辉;王云莉;张
绍培;张绪进
5."S"形急弯河段通航水流条件研究 [J], 颜志庆;赵建钧;辜晋德;王宇
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某山区溢洪道流态优化和消能试验研究

某山区溢洪道流态优化和消能试验研究

某山区溢洪道流态优化和消能试验研究作者：胡良明胡志鹏谢学东郭新蕾王涛来源：《人民黄河》2020年第03期摘要：某山地溢洪道入流角度过大，且水流受圆弧段弯道离心力的影响，溢洪道外侧水体壅高明显，严重影响下游的衔接消能。

在不改变原平面布置情况下，采用物理模型试验方法对溢洪道进行了优化设计，上游入水口及弯道衔接段设导流墩，下游陡槽段采用台阶式溢洪道的防冲消能体形，并对水流流态及消能率等方面进行了试验研究。

结果表明：上游进口段水流分布均匀，衔接段水面线明显降低，台阶段呈现稳定的滑行流。

实测台阶式溢洪道消能效率达到了87%，消能效果良好，流态稳定。

关键词：物理模型试验;台阶式溢洪道;水流流态;消能率;导流墩中图分类号：TV131.61 文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.017Experimental Study on Flow Regime Optimization and Energy Dissipation of aFlood Spillaway in a Mountainous AreaHU Liangming1， HU Zhipeng1， XIE Xuedong2， GUO Xinlei3， WANG Tao3（1.School of Water Science and Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001，China;2.Ningxia and Inner Mongolia Bureau of Hydrology and Water Resources， YRCC， Baotou 014030， China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China）Abstract：The inflow angle of a mountain spillway is too large and the water flow is affected by the centrifugal force of the curved section of the circular arc. The outside water body of the spillway is obviously high， which seriously affects the downstream energy dissipation. The physical model test method was used to optimize the design of the flood spillway without changing the original plane layout. The upstream water inlet and the curve connecting section were provided with diversion piers and the downstream steep trough section adopted the anti-scour energy dissipation type of the stepped spillway. Then it carried out experimental research on the flow state and energy dissipation rate of the water flow. The results show that the water flow in the upstream inlet section is evenly distributed，the water surface line in the connecting section is obviously reduced and the stage shows a stable taxiing flow. The measured energy efficiency of the stepped spillway reaches 87%， the energy dissipation effect is good， the flow state is stable and it has reference value for similar practical projects.Key words： physical model test; stepped spillway; water flow regime; energy dissipation ratio; diversion pier某山地溢洪道位于固体废弃物处置场场区边缘，是汇集场外山坡雨水，并将其排至附近下游河道的泄洪消能工程。

急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究_郭红民

急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究_郭红民
i j
(
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u j u i 定义。 x i x j
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采用有限差分格式对上述控制方程组进行差分得到线性方程组 ， 再采用广义极小残差算法 （ GMＲES ） 对 得到的线性方程组进行迭代求解 。目前， 大部分处理水气两相流的自由表面都是采用流体体积法 （ Volume of Fluid VOF） ［13］， 该方法往往会增加计算时间或使最终计算结果有较大偏差 。 本文对自由表面的描述采用 TruVOF 方法， 该方法不考虑只含气体的控制单元 ， 只计算含有液体单元， 因此很大程度上减少了模型收敛所 需的时间， 对自由液面描述也更为准确。TruVOF 法对流体界面的三维重构控制方程 F + u m ·F = 0 － t － 式中： u m 为混合流体的平均速度； t 为时间； F 即为所需要的流体体积分数变量 。 ρ
流模型对急弯段闸孔出流的弯道水流进行了三维数值模拟 。 通过模拟计算， 比较分析了急弯段不同闸位 、 不同 流量条件下闸孔过流时的流速分布 、 紊流动能、 压强分布和环流等相关水流特性与变化规律 。 分析研究结果表 明， 闸坝位于弯道上游时， 弯道对闸坝过流的影响最小， 但需对闸坝下流弯道凸岸岸坡附近区域采取一定的防 过闸水流受弯道的影响最小， 闸室水流的稳定性、 闸门的工作安全以及闸墩的 护措施； 闸坝布置在弯道中游时， 空蚀破坏都是实际工程中需要注意的重点 。数值模拟验证与物理模型试验结果吻合较好， 计算精度较高， 能够 满足相关计算研究要求 。
［8 ］
收稿日期： 2014 － 10 － 17 基金项目： 水利部公益性行业科研专项资助项目（ 201401027 ） 作者简介： 郭红民（ 1964 —） ，男，湖北宜昌人，教授级高级工程师，主要从事水力学及河流动力学方向的研究 。 Email： 452507693@ qq． com

急弯河段通航水流条件与航道宽度关系研究


动［ ３ ］ ， 船舶 的操作难度增加 。船舶通过弯曲航道时 ， 弯道 的曲率半径越小 ， 水 流越急 ， 船舶通过弯道 时的舵 角、 漂 角 和偏航 距 就 越大 ， 从 而 导致 航迹 带 宽度 和 附加 航 宽加 大 。并 且船 舶 尺度 越大 ， 其航 迹 带宽 度 和附 加 航宽也越大 ］ 。为保证船舶安全通过弯道 ， 需要增加航道的宽度 。
中图分 类号 ： Ｕ ６ ４ １ ； Ｔ Ｖ １ ３ １ ． ６ 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ５ — ８ ４ ４ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ４ — ０ ３ ５ ３ — ０ ５
航道 条件 主要包 括航 道尺 度条 件 （ 航道 宽度 、 水深 和弯 曲半径 ） 和航 道水流 条件 （ 流速、 流 向和流态 ） ， 对 于
王常红 ， 何文辉 ， 程 小兵 ， 李 旺生
（ １ ． 交通运 输 部天 津水 运 工程 科 学研 究所 工 程泥 沙 交通行 业 重 点实验 室 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ ６ ； ２ ． 中国交通建 设 股
份有限公 司， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ８ ）
摘 要 ： 急 弯河段水 流流态复杂 ， 船舶过 弯所需 的航 道宽度要远 大于直线段航道 宽度 ， 也大于一般 的弯 区河 段航道宽 度。根据汉 江下游马 口滩 急弯河段 船模航行试验 成果 ， 总结分析 了船舶 在弯道段航行 时 占用 的航宽与水 流的关 系 ， 表 明船舶 以大致相 同的航速 上 、 下航 行通过弯道 时 ， 上行 时 占用 的航宽 比下 行时要小 的多 。流速或流 向角越 大 ， 船舶 的航迹 带宽度越大 ， 占用的航宽也越大 。在此基础上建立 了马 口滩急弯河段航 宽计算 公式 。 关键词 ： 弯道河段 ； 通航水流条件 ； 船模试 验 ； 航迹带 宽度 ； 附加航宽

弯道水流对下游回水响应特征试验研究_孙一

弯道水流对下游回水响应特征试验研究孙 一,赵小娥,王协康(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610065)摘要:弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。

通过U 形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。

结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。

为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。

关键词:弯道水流;下游回水;响应特征;流速分布;环流强度;紊动能;试验研究中图分类号:TV 143 2 文献标志码:A 文章编号:1001 6791(2010)05 0600 06收稿日期:2009 09 09基金项目:国家自然科学基金资助项目(40771022)作者简介:孙 一(1983-),男,河南新乡人,博士研究生,主要从事水力学及河流动力学研究。

E ma i:l suny i 031@163 com通信作者:王协康,E ma i:l w angx iekang @scu edu cn弯道水流在重力及离心力的共同作用下,形成弯道螺旋流,水流显著特征为凹凸两岸水位出现横向比降,从而造成了横断面上的环流存在。

长期以来,众多学者基于室内试验及原型观测,对不同弯曲河道水流运动特性进行了广泛研究。

如许光祥等[1]以室内水槽研究了定床条件下弯道水面横比降沿程分布特性。

Y en [2]基于试验,讨论了动床条件下的水面超高问题。

Tho r ne 等[3]提出了凹岸纵向流速的经验表达式。

刘焕芳[4]基于弯道水面横比降特性,导出了弯道水流纵向垂线平均流速的计算公式。

Ahm ed [5]以试验分析了30弯道的平均流速变化。

刘健等[6]通过水槽试验,研究了中心角为60 的弯道水流特性。

Sudo 等[7]通过室内实验,分析了90 弯道水流紊动特性。

许光祥等[8]对单一90 弯道水流紊动特性进行了较好的总结与归纳。

弯道取水口表层水流速度场数值模拟


GU Pan， MOU Xian － you， ZHANG Wan － feng， ZHENG Yong － peng
（ College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China）
通过速度云 图 可 以 直 观 看 出，引 水 渠 内 流 速 较 大，无需担心泥沙淤积问题，但在取水口处流速相对 较低，并且流场状态复杂，应特别注意泥沙淤积。同 时，引水渠与主河道相交处（ 图 3 中方框所示） ，流速 变化剧烈，不 利 于 工 程 维 护，应 适 当 进 行 优 化，尽 量 使边线过渡平缓。
参 考 文 献：
［1］ 周素真，马有国，田治宗等． 弯道环流及其在取水防沙 中的应用〔J〕． 农田水利与小水电，1993（ 2） ： 34 － 38．
［2］ 王庆，郭德发． 新疆人工弯道式引水枢纽的设计与运 行〔J〕． 人民长江，2004，35（ 1） ： 74 － 77．
［3］ 张黎，张鹤． 分流对弯道水流水力特性影响的试验研 究〔J〕． 吉林水利，2009（ 6） ： 53 － 56．
Abstract： According to the physical model，3D ultrasonic current － meter is utilized in this paper to measure three － dimensional flow structure directly under different conditions near water intake． Numerical simulation of the two dimension flow has been simulated by using standard turbulent model． Comprehesive analysis，the velocity at the water intake change rapidly． The velocity at the downsteam of water intake significantly reduced． Key words： artificial bend； water intake； numerical simulation

弯道对拱坝闸孔挑流的泄流影响试验研究

弯道对拱坝闸孔挑流的泄流影响试验研究郭红民;覃闪;蒋文秀;夏修宝;陈昌仕;朱文浩【摘要】采用流场实时测量系统和直读式流速仪等测量手段对弯道处拱坝挑流泄流的水流特性进行了系统的试验研究,较为精确地测量了弯道和闸孔及其挑流水流的流场和时均压强水头等,通过对三种不同工况的试验数据进行分析,探讨了弯道水流对闸孔泄流影响的相关规律和特征,为深入分析建闸后弯道水流对闸孔泄流的影响研究提供借鉴.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)005【总页数】5页(P296-300)【关键词】弯道;挑流;闸孔泄流;试验【作者】郭红民;覃闪;蒋文秀;夏修宝;陈昌仕;朱文浩【作者单位】三峡大学水利与环境学院,宜昌443002;三峡大学水利与环境学院,宜昌443002;三峡大学水利与环境学院,宜昌443002;三峡大学水利与环境学院,宜昌443002;三峡大学水利与环境学院,宜昌443002;三峡大学水利与环境学院,宜昌443002【正文语种】中文【中图分类】TV135.23弯道水流是渠道和河道中常见的一种水流运动现象，由于地形、地址和水文特性等因素的原因，水利枢纽工程不可避免地要修建在大江河渠的弯道处，与直线河段不同，水流流经弯道作曲线运动由闸孔流向下游，水面形态和水流结构都会发生调整和变化。

以弯曲河道位置作为枢纽的坝址修建大坝和泄水建筑物等，受弯道环流的影响有其先天不足，水流流经弯道时，不仅受重力作用，还受离心惯性力的作用，使弯道水流产生凹岸高、凸岸低的横向自由水面，形成横向水面超高；此外，水头损失比同等长度直线河渠也要大一些，主要原因是弯道水流产生了螺旋运动，水流紊动强度有所变化，在弯道顶点下游靠凸岸边，有时会发生水流分离现象，从而产生漩涡。

同时，由于横向水面的超高和螺旋运动，使得闸孔泄流出现较大的波动，水流非常不平稳，并且会造成左右两侧泄流能力不对称，凸岸的泄流能力明显不足，凹岸泄流流量过大。

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等பைடு நூலகம்
［6 ］
的补充， 谭柱林等
有效预测了明渠 180ʎ 弯道水流水面高度的变化影响范围及水面横比降的主要范围并分 ［9 ］ 析了不同水深的平面流场和典型断面弯道环流分布 ； 钟杰 研究了弯道上低水头拦河闸闸前的水流特性； Ｒ． D． Moser 等［10 － 11］对小曲率低雷诺数弯曲河槽中的水流流动进行了直接数值模拟 。对于强曲率的急弯河 道， 由于水流呈较强的三维特性， 弯道环流发展充分， 其在不同流量下对处于不同弯道位置的水工建筑物布 3D 软件， 置的影响， 目前这方面研究尚不多见。本文利用 Flow采用 ＲNG 紊流模型， 对急弯段闸孔出流的弯 道水流进行了三维数值模拟， 比较研究了急弯段不同闸位条件下闸孔过流时水流特性和变化规律 ， 可为类似 。 设计提供参考
［8 ］
收稿日期： 2014 － 10 － 17 基金项目： 水利部公益性行业科研专项资助项目（ 201401027 ） 作者简介： 郭红民（ 1964 —） ，男，湖北宜昌人，教授级高级工程师，主要从事水力学及河流动力学方向的研究 。 Email： 452507693@ qq． com
第3 期
郭红民，等： 急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究
25
1
1. 1
数学模型
控制方程 连续方程： 动量方程： ρ ρ u i + = 0 t x i ρ u i p ρ u i ρ u j + （ ρu i u j ） = － + （ μ + μt ） + x i x i x j x j x i （ 1）
[
(
)]
（ 2）
断面 v 凸 计算值 v 凸 实测值 误差 / % v 中心 计算值 v 中心 实测值 误差 / % v 凹 计算值 v 凹 实测值 误差 / % 1 2 3 4 5 6 7 8 24. 93 24. 45 24. 52 25. 79 31. 22 35. 04 28. 41 22. 89 24. 35 23. 83 24. 45 27. 03 32. 51 34. 91 27. 15 22. 05 2. 4 2. 6 0. 3 4. 6 4. 0 0. 4 4. 6 3. 8 26. 54 26. 44 26. 21 25. 08 25. 48 25. 76 26. 59 27. 33 25. 60 25. 83 25. 95 25. 71 25. 35 25. 99 26. 73 27. 41 3. 7 2. 4 1. 0 2. 5 0. 5 0. 9 0. 5 0. 3 27. 31 26. 71 23. 88 19. 61 18. 64 19. 05 22. 49 26. 99 26. 38 25. 63 25. 04 20. 21 18. 82 18. 71 21. 63 27. 29 3. 5 4. 2 4. 6 3. 0 1. 0 1. 8 4. 0 1. 1
1. 2
紊流模型
［12 ］ ＲNG κε 模型是基于重整化群（ Ｒenormalization Group） 的理论提出来的， 经过了改进和实用化处理 ， 形式上类似于标准 κε 模型， 但在计算功能上强于标准 κε 模型，ＲNG κε 模型考虑了旋转效应， 因此也提
高了强旋转流动计算精度， 模型中包含了计算湍流 Prandtl 数的解析公式， 并且对近壁区进行适当处理后可 以计算低雷诺数效应。 紊动能 κ 方程： （ ρ u i κ ） （ ρκ） κ + G － ρε = + （ μ + μt ） ακ κ x j t x i x i
7 3 7 3 算流量 2 为 5. 5 ˑ 10 cm / s， 计算流量 3 为 7. 3 ˑ 10 cm / s， 计算流量下闸孔内的水流形态均为急流， 相对缓流而
言， 闸孔内的水流更加不平衡， 水流对闸坝的冲击和空蚀 都会产生不可忽视的危害， 且对下游水流流态也会有较 大影响。模型布置如图 1 。 本 文 采 用 FAVOＲ 法 （ Fractional Area / VolumeObstacle Ｒepresentation） 定义几何体和划分网格， 采用多 Block Grids ） 进行处理， 区块结构性网格（ Multi通过连接 式（ Linked block） 或者巢状式 （ Nested block ） 区块建立网 格， 有效解决传统单区块结构性网格为求模型细化而大 量增加网格数量的问题。本文网格的划分采用两区块结 构化网格， 分别包含上游河道及闸坝和下游河道 ， 通过连
紊动耗散率 ε 方程：
[
]
（ 4）
1 /2
κ = ε
1 u i u j 1 u i u j ， E ij = （ + ）， C1ε = 1. 42 ； 常数 C2ε = 1. 68 ； G κ 为由平均速度梯 η0 = 4. 377 ， β = 0. 012 ， 2 x j + x i 2 x j x i 度引起的紊动能产生项， 可由式 G κ = μ t 1. 3 数值方法和自由表面的确定 u ( x
表1 Tab. 1 断面流速和主流线偏离系数 Section velocities and mainstream line deviation coefficients
a 计算值 1. 095 1. 092 0. 974 0. 760 0. 597 0. 544 0. 792 1. 179 a 实测值 a 误差 / % 1. 083 1. 076 1. 024 0. 748 0. 579 0. 536 0. 797 1. 238 1. 1 1. 6 4. 9 1. 7 3. 1 1. 4 0. 6 4. 7
2 式中： ρ 为体积分数平均的密度； μ 为分子黏性系数； p 为压强； μ t 为紊流黏性系数， μ t = ρC μ κ / ε ， 其中 C μ C μ = 0. 084 5 ； μ + μ t 为广义黏性系数； u i ， u j 分别为流速矢量在 x i ， x j 方向的分量。 为经验常数，
词： 急弯段； 闸孔出流； 弯道水流； 水流特性； 数值模拟 中图分类号： TV135 文献标志码： A 文章编号： 1009 － 640X（ 2015 ） 03 － 0024 － 07 关 键 由于地质、 地形和水文等因素的要求， 水利枢纽工程有时不可避免要修建在河道弯道处， 弯道水流是渠 ［1 ］ ， 。 ， 道和河道中很常见的一种水流运动现象 并且大多都是紊流流动 对弯道水流特性的研究 张红武等 在 1984 —1986 年通过对 4 个河弯概化模型进行了水流运动规律的研究 ， 得到了形式简单且适用天然河弯的环 ［2 － 3 ］ 流流速垂线分布计算式； 徐桂英 通过对闸前弯道建立物理模型进行了一系列的试验研究 ， 得到了弯道水
流模型对急弯段闸孔出流的弯道水流进行了三维数值模拟 。 通过模拟计算， 比较分析了急弯段不同闸位 、 不同 流量条件下闸孔过流时的流速分布 、 紊流动能、 压强分布和环流等相关水流特性与变化规律 。 分析研究结果表 明， 闸坝位于弯道上游时， 弯道对闸坝过流的影响最小， 但需对闸坝下流弯道凸岸岸坡附近区域采取一定的防 过闸水流受弯道的影响最小， 闸室水流的稳定性、 闸门的工作安全以及闸墩的 护措施； 闸坝布置在弯道中游时， 空蚀破坏都是实际工程中需要注意的重点 。数值模拟验证与物理模型试验结果吻合较好， 计算精度较高， 能够 满足相关计算研究要求 。
第3 期 2015 年 6 月
水
利
水
运
工
程
学
报
HYDＲOSCIENCE AND ENGINEEＲING
No． 3 Jun． 2015
DOI： 10． 16198 / j． cnki． 1009 － 640X． 2015． 03． 004 J］ ． 水利水运工程学报，2015 （ 3 ） ： 24 － 30． （ GUO Hong郭红民，覃闪，蔡黎明，等． 急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究［ min，QIN Shan，CAI Liming，et al． A study of bendway flow characteristics outflowing from sluice orifice on rapid river bend［J］ ． HydroScience and Engineering， 2015 （ 3 ） ： 24 － 30． ）
－ － ［14 ］
为： （ 5）
2
2. 1
几何模型和计算验证
几何模型及网格划分
弯道几何模型构造分为水槽和闸坝两部分 。弯道水槽底宽 60 cm， 边坡系数 m 为 0. 5 ， 水槽底面坡度为 0. 005 ， 水槽弯道转弯角度为 90ʎ ， 中心转弯半径为 93 cm。闸坝轴线位置共布置 3 处， 闸位 1 在弯道起点， 闸 位 2 在弯道转弯 45ʎ 处， 闸位 3 在弯道终点， 闸坝皆为 5 孔平底闸孔， 闸底板与水槽底等高， 闸坝边墩上下游 7 3 均以直立面与水槽边坡相接。验证流量 1. 1 ˑ 10 cm / s， 由于流量较小且验证试验闸门并未全开， 验证模型
i j
(
)
+
u j u i 定义。 x i x j
)
采用有限差分格式对上述控制方程组进行差分得到线性方程组 ， 再采用广义极小残差算法 （ GMＲES ） 对 得到的线性方程组进行迭代求解 。目前， 大部分处理水气两相流的自由表面都是采用流体体积法 （ Volume of Fluid VOF） ［13］， 该方法往往会增加计算时间或使最终计算结果有较大偏差 。 本文对自由表面的描述采用 TruVOF 方法， 该方法不考虑只含气体的控制单元 ， 只计算含有液体单元， 因此很大程度上减少了模型收敛所 需的时间， 对自由液面描述也更为准确。TruVOF 法对流体界面的三维重构控制方程 F + u m ·F = 0 － t － 式中： u m 为混合流体的平均速度； t 为时间； F 即为所需要的流体体积分数变量 。 ρ