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[博士论文] 毛鸿飞
港口、海岸及近海工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着对海洋资源的开发逐渐向深海海域发展,深海中工程结构物的水动力特性已成为海洋工程领域的热门问题。水平圆柱结构广泛应用于海洋工程中,准确的预测水平圆柱结构上的波浪力是安全性研究的重要课题。在大幅波浪作用下或强迫振荡下,水平圆柱结构上的流体作用力会受到粘性效应的影响。在对波浪力进行预测时,还需要考虑波浪的冲击作用。此外,此类问题还涉及到复杂的自由面问题。采用传统的势流理论对上述这些问题进行研究的准确性难以得到保障。因此,基于粘性流理论对水平圆柱结构上波浪力问题进行研究具有重要意义。基于上述背景,本文应用粘性流数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱上波浪力、非完全淹没水平圆柱上波浪力和淹没水平圆柱强迫振荡下受力问题开展了数值计算研究,揭示了粘性效应的机理,提出了波浪力以及冲击力的预测方法。
  首先,本文基于OpenFOAM开源平台,建立了粘性流数值波浪水槽。数值模型以Navier-Stokes方程作为基本控制方程对流体运动进行描述,采用Finite Volume Method(FVM)方法进行数值离散,Renormalization-group(RNG)模型进行湍流封闭,Volume of Fluid(VOF)方法进行自由面捕捉,为了进行长时间的计算,水槽结合了有效的消波方法。对数值方法的局限性问题,在自由面区域内加入数值修正区,提高了模型的计算能力。
  其次,对数值模型进行了数值验证,将数值结果与前人发表的理论结果、实验数据以及数值计算结果进行对比,对粘性数值模型在对大波幅非线性波浪传播和结构物上流体作用力计算的准确性进行全面验证。
  再次,应用粘性流数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱上的波浪力开展了数值研究。通过与前人实验结果的对比,验证了数值模型对粘性效应下结构物上波浪力计算的准确性。通过粘性流流场和势流流场结果的对比,定量地解释了基于势流理论求得波浪力偏大的原因。此外,涡旋脱落对波浪力的影响也得到了关注。考虑到前人研究的局限性,本文对不同波浪频率下和不同模型尺度下水平圆柱上的波浪力开展了研究。这些研究对实际工程问题的计算和分析具有重要的指导意义。
  应用数值波浪水槽模型对非完全淹没水平圆柱上的波浪力开展了数值研究。本文对入射波幅值、频率和圆柱的垂向位置对波浪力的影响开展了研究。当流体速度达到一定程度时,波浪冲击力不可忽视,本文对圆柱受到的波浪冲击力进行了研究。本文提出了改进的Morison方程,该方程不仅考虑了惯性力、速度力和浮力,而且考虑了冲击力。进而,对水动力系数,即惯性力、速度力和冲击力系数进行了拟合和分析。此后,将基于Morison方程计算得到的波浪力与数值波浪力进行了对比,为工程设计提供参考。
  最后,应用数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱强迫振荡下受力进行了数值模拟研究,通过将粘性流结果与势流结果的对比,说明粘性效应对流体作用力的作用。通过对圆柱周围流场的分析,揭示了粘性效应的机理。采用受力分析方法说明了圆柱附近涡旋对圆柱所受压力的影响,进而解释了基于粘性流理论与势流理论得到流体作用力之间差别的本质原因。
[博士论文] 薛冰寒
水工结构工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:为了缓解能源紧缺的局面,更多地开发利用可再生能源,中国在西部地区修建了一系列高拱坝。中国西部地区的高拱坝大多位于高地震烈度区,一旦在强震作用下遭到破坏,将对下游地区的人民生命和财产安全造成重大影响。因此,确保混凝土高拱坝的抗震安全,防止严重地震灾变,具有重大的战略意义。三维双曲高拱坝形状复杂,上游面与坝前无限库水相连、底部与无限地基相连、坝体内部有横缝的存在,所以必须在考虑坝体横缝影响的同时,把坝体-库水-地基作为一个开放的波动系统进行处理。
  比例边界有限元方法是一种半解析的数值方法,具有仅需离散计算域的外边界,将问题维度降低一维、精确模拟无限域、无需基本解等特点,但文献中目前还未发现比例边界有限元方法用于求解三维静动力接触问题的算例。本文目的在于发展比例边界有限元方法对高拱坝静动力响应分析的研究,重点研究了保障不同特性子域界面连续性的有效算法;静动力作用下拱坝横缝接触问题的求解;基于比例边界有限元方法的高拱坝坝体-无限库水-无限地基体系动力相互作用的高效高精度计算模型。
  本文主要包括以下方面的内容:
  1、提出了基于比例边界有限元方法的Mortar方法,施加不同子域交界面的连续条件,适于不同子域根据计算要求和材料特性不同,可以采用灵活的网格剖分形式,便于交界面上疏密网格的过渡。算例表明,该方法可以保障交界面连续性达到比较高的计算精度,有利于解决实际工程问题。
  2、将比例边界有限元方法扩展到接触问题的求解中,提出了考虑静动力摩擦接触效应的比例边界有限元-B可微方程组方法。应用比例边界有限元方法只需离散计算域中含接触区域的边界,降低了求解维度;采用基于NURBS基函数的比例边界有限元方法可精确描述接触边界的几何形状;B可微方程组方法可精确模拟摩擦接触条件,且其求解方法的收敛性具有理论保证;对于网格非匹配的接触问题,采用Mortar方法进行处理。算例表明,该方法具有降维,精度高和收敛性稳定的特点。
  3、基于比例边界有限元方法建立了考虑横缝非线性的坝体-库水-地基相互作用的高效时域计算模型。该模型可综合考虑无限地基的辐射阻尼、库水的可压缩性、库底及岸坡的能量吸收作用、无限库水的辐射条件和横缝键槽等因素对坝体静动力响应的影响。另外,该模型只需要离散坝体与无限库水的交界面、坝体与无限地基的交界面和坝体各子结构的表面,可降低网格剖分的工作量、数据存储量和计算量。编制了相应的计算程序NDAADTSB,已实现了考虑横缝作用的坝体静力分析和不考虑横缝作用的坝体-库水-地基系统的时域地震响应分析等功能,并采用该程序对某拟建高拱坝进行了地震响应分析,为拱坝的抗震安全评价提供了技术依据。
[博士论文] 刘兴宗
岩土工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着中国水电能源开发战略的实施,西南地区建立起一大批大型水利水电工程。这些水电工程所处地区的地质条件恶劣,加之蓄水阶段库水位变化大,使这些水电工程所伴随的高陡岩质边坡稳定性问题尤为突出。因此,高陡岩质边坡蓄水期的变形破坏规律以及稳定性的研究非常重要。
  本文围绕着“高陡岩质边坡蓄水期的稳定性”这一科学问题,以大岗山水电站右岸边坡为工程背景,开展了蓄水期的微震监测及数值仿真试验。通过微震监测结果及数值仿真试验,展现了水电高陡岩质边坡蓄水期渐进性破坏的过程,探讨了水电高陡岩质边坡蓄水期发生损伤的机理,揭示了水电高陡岩质边坡蓄水期微震活动特征,评价了水电高陡岩质边坡蓄水期稳定性。此外,将微震监测与地震预报理论结合,提出了一个边坡失稳预警的指标,为类似大型水电工程高陡岩质边坡蓄水期失稳预警提供了新思路。本文主要的研究成果如下:
  (1)在“以提高材料参数的方式来等效锚索对边坡的加固效果”思路的指导下,通过数值模拟获得了大岗山水电站右岸边坡锚索加固区等效的材料属性。计算结果表明:调高锚索加固区内材料的内聚力、内摩擦角和弹性模量,可以起到等效锚索加固的效果。其中,提高内聚力、内摩擦角对等效加固的效果不明显,提高弹性模量对等效加固的效果明显。
  (2)首次将微震监测技术应用于蓄水期高陡岩质边坡的稳定性监测。根据微震活动的时空分布规律、地震变形演化规律和能量密度演化规律,圈定了库水位上升阶段右岸边坡的主要损伤区域。同时,采用数值仿真试验模拟了库水位上升的过程,探讨了库水位上升阶段边坡发生微破裂的机理。研究结果表明:在库水位上升阶段,1240m、1210m、1180m和1150m高程抗剪洞起到了抵抗边坡内软弱结构面发生剪切破坏的作用,因此在该区域出现明显的微震活动。
  (3)根据实际监测到的微震活动规律,圈定了库水位稳定后右岸边坡的主要损伤区域。同时,采用数值仿真试验模拟了边坡内发生局部渗流破坏的过程,探讨了库水位稳定后边坡发生微破裂的机理。研究结果表明:在库水位稳定后,辉绿岩脉β62、β68和β83以及连接它们的断层发生了渗流破坏,从而引发了岩石微破裂的发生。
  (4)基于能量耗散原理与边坡渐进性破坏的观点,采用数值方法计算了库水位上升阶段右岸边坡考虑渐进性微震损伤效应的安全系数。计算结果表明:边坡的安全系数随着库水位的升高而降低,并且当边坡内发生大能量破坏事件时,边坡的安全系数降低明显。最终的边坡安全系数为1.76,满足规范要求,因此,在库水位上升阶段,大岗山水电站右岸边坡状态稳定。
  (5)基于有效应力原理和微震监测结果,采用数值方法计算了库水位稳定后右岸边坡的安全系数。计算结果表明:由于边坡内发生了局部渗流,导致边坡安全系数有所降低。考虑有效应力原理时边坡的安全系数为1.94,满足规范要求,说明在库水位稳定后,大岗山水电站右岸边坡状态稳定。
  (6)将微震监测信息与加卸载响应比理论结合,计算了库水位上升阶段和库水位稳定后的加卸载响应比变化,并提出将加卸载响应比作为高陡岩质边坡蓄水期失稳的预警指标。加卸载响应比作为预警指标的预警方法:当加卸载响应比大于1.0时,边坡出现较大损伤;当加卸载响应比持续增大,说明边坡出现更大程度的损伤,边坡有失稳的风险,应当预警。
[硕士论文] 邢丹君
农业工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:大型泵站担负着防洪、抗旱、调水等重要任务,因泵站机组故障或事故停机而导致供水中断将造成重大的经济损失和严重的社会影响。因而,对泵站机组的运行监控、状态监测以及检修方式提出了更高的要求。相比于传统的故障检修和定期检修,状态检修具有提高设备安全性、减少维修时间和维修费用、提高设备寿命等优点。在泵站开展状态检修的关键是要及时客观地评价水泵机组的状态,预测设备的关键参数的变化趋势,以便及时给出合理的维修建议。为此,结合南水北调东线工程江苏段泵站运行维护的需求,开展了泵站机组状态监测与远程协作诊断系统的研究。本文侧重介绍了水泵机组的状态综合评价与参数预测分析两方面的研究,包括基于可拓综合评价法的水泵机组的状态评价和基于多算法的水泵机组参数的预测分析。
  第一章介绍了泵站机组状态检修、状态预测、状态监测诊断以及综合评价技术的国内外研究现状及发展趋势。
  第二章结合南水北调东线工程江苏段的泵站机组运行、维护和管理需求,分析了泵站机组状态监测分析与远程协作诊断系统的功能需求,给出了系统的体系结构、硬件组成和软件组成。
  第三章详细介绍了基于可拓综合评价法的水泵机组综合评价方法。首先介绍了可拓综合评价法的基本原理及数学模型;然后介绍了南水北调水泵机组设备评价依据、评价设备部件划分以及评价参数选取方法;接着运用层次分析法和熵权法计算水泵机组评价参数的综合权重;最后,运用Matlab仿真验证了水泵机组的可拓综合评价方法。
  第四章分别详细介绍了基于灰色GM(1,1)预测模型和BP神经网络预测模型的水泵机组状态参数的预测方法。首先介绍了GM(1,1)的概念和数学模型以及BP神经网络预测的基本原理,再用GM(1,1)预测模型和BP神经网络预测模型来预测分析水泵机组状态量的变化趋势,并通过Matlab仿真验证了参数预测算法。
  第五章介绍了综合使用Eclipse、Mysql、Matlab、Tomcat、navicat等软件设计开发水泵机组远程状态评价与状态参数预测分析的功能模块,实现水泵机组的可拓综合评价功能,以及预测水泵机组的振动量和温度量的变化趋势。
[硕士论文] 王洁
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:沿海水闸具有挡潮、排涝等重要功能,是沿海地区的经济社会发展以及沿海地区人们的生活的重要保障。然而,由于其工作环境的复杂性沿海水闸的耐久性问题日显突出,一方面,水闸各组成部分出现了破损和老化现象,耐久性损伤已经对钢筋混凝土结构的正常使用寿命和安全造成严重影响;另一方面是结合地方环境特点与工程实践经验开展的水闸安全性态评估技术存在滞后。因此有必要开展水闸服役性能研究,本文主要研究内容如下:
  (1)探讨了沿海水闸工程运行风险的影响因素,分析了沿海软土地基的特征和危害,讨论了软土地基的处理的方法;研究了混凝土的碳化、氯离子侵蚀和碱骨料反应的作用机理,从而分析其对混凝土耐久性的危害;介绍了海水腐蚀和冻融作用的破坏类型。
  (2)结合在役水闸沉降实测资料及ABAQUS有限元软件分别计算沿海水闸实际沉降值和理论沉降值,采用指数曲线法、双曲线法和灰色模型GM(1,1)预测法结合沿海水闸实例预测其地基沉降趋势,通过3种方法计算结果精确性对比,分析其在沿海地基沉降预测的可行性。分别对沉降前后水闸闸顶高程、消能情况进行分析计算,从而分析沉降对结构产生的影响。
  (3)以沿海水闸和内地水闸的实测碳化值为基础,通过研究不同碳化时间作用下的碳化值趋势,以及不同构件的碳化值大小,分析沿海和内地水闸碳化规律差异。建立基于实测数据的碳化预测模型,分析了水闸交通桥的碳化速度。从可靠度角度出发,运用得到的混凝土碳化深度预测模型对钢筋混凝土结构进行了碳化耐久性分析,得到了概率意义下的结构碳化寿命。
  (4)建立水闸风险因子体系,运用了融合改进模糊层次分析法、权的最小平方法和基于遗传算法的投影寻踪法的水闸工程服役风险因子权重计算方法,研究了云模型的定义、数字特征、计算准则及正向云发生器和逆向云发生器的算法等相关理论,建立了基于云模型的水闸风险分析模型,为管理者决策水闸是否继续维持运行提供理论依据。
[硕士论文] 王世辉
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:引水渠和进水池间的衔接段称作泵站的进水前池,前池的作用是将引水明渠的水流均匀平顺地输送进进水池,为水泵提供良好的吸水条件。前池一般分为正向和侧向进水前池两种类型。前池设计不当容易引起不良流态,前池内的不良流态对进水池内水流的流态有严重的影响,导致水泵的能量性能下降,甚至会导致水泵发生汽蚀和振动,并且回流会导致前池内局部的淤积,淤积不仅会影响进水池内的流态和水泵的正常工作,还会导致泵装置的效率降低。因此,采取一定的措施改善泵站前池的流态对泵站的运行和管理具有重要的意义。
  改善前池的流态一般可以采用的以下的措施:延长前池的长度,在前池加设隔墩,减少前池的扩散角;加设导流墩、导流板、导流栅等导流的措施;设置底坎、立柱、压水板等整流措施。在前池中采用底坎的整流方法具有结构简单、施工方便、整流效果好、水力损失小等优点,便于在泵站中推广使用。
  本文以某大扩散角进水泵站为原型,设计了一套小型实验装置。对不同位置和不同高度的底坎进行了数值模拟计算,并对底层、面层的流态图和进水池进口断面的流速分布均匀度进行了比较,选出最优方案。为了较全面地研究底坎的位置、高度和顶宽、断面形状等因素对底坎整流效果的影响,比选出10种方案,来进行数值模拟与模型试验的对比分析。
  最后,对模型试验与数值模拟的结果进行分析和比较,综合各方案的底层、面层的流态以及各断面的流速分布均匀度的测试结果,得到如下结论:梯形断面的底坎可以削弱引渠所携带的余能,对前池的流态改善效果显著;底坎的位置对前池流态影响较大,过于靠近或者远离底坎都会导致前池流态紊乱,进水流态恶化,将底坎设在距进水池1.37B处,能明显的改善前池的流态,水流能比较均匀的流进各机组;坎高在底坎处水深的0.35倍时,前池的流态较好;底坎的顶宽尺寸对前池流态的影响较小。建议用底坎整流时,采用梯形底坎,高度设置为底坎处水深的0.35倍,位置设置在距进水池1.37B处。
[硕士论文] 毕超
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:大型低扬程泵站在中国应用广泛,是重要的水利工程建筑物,在水资源调配、城市防洪、灌溉排涝和水资源改善等方面发挥了重要的作用。泵装置水力性能优劣在大型低扬程泵站中越来越受到重视,其水力性能与水泵选型和进出水流道水力设计密切相关。引江济淮工程是安徽省的“南水北调”工程,盛桥泵站是该工程的梯级泵站之一,设计总流量为150m3/s,采用立式全调节轴流泵,进水流道采用肘形进水型式,出水流道采用直管式出水型式。本文基于盛桥泵站的基本参数,从水泵模型比选和进出水流道水力设计两方面进行低扬程泵装置水力性能的研究,并采用泵装置模型试验的方法对研究结果进行检验。本文主要研究内容和成果如下:
  1)采用同类型换算方法,基于刘山泵站(TJ04-ZL-06)和长沟泵站(TJ04-ZL-19)泵装置水力性能模型试验结果进行盛桥泵站水泵选型;采用选型系数法对盛桥泵站TJ04-ZL-19水泵模型和TJ04-ZL-06水泵模型进行选型比较;两种选型方法的结果表明TJ04-ZL-19水泵模型适合盛桥泵站。
  2)对低扬程泵站进、出水流道三维流场数值模拟基本理论进行了阐述,确定了进水流道和出水流道流场计算所采用的边界条件;分析了进水流道和出水流道水力设计优化的目标,选取轴向流速分布均匀度、水流入泵平均角、水力损失和阻力系数作为进水流道水力性能评价指标,选择水力损失和阻力系数作为出水流道水力性能评价指标。
  3)盛桥泵站肘形进水流道初始方案三维流场数值模拟结果表明出口断面轴向流速分布均匀度和水流入泵平均角分别为97.8%和88.2°,水力损失为0.122m,出口水流基本垂直均匀流出;经过优化改进的进水流道方案2出口断面轴向流速分布均匀度为98.4%,水流入泵平均角为88.3°,水力损失为0.108m,水流转向有序、收缩更为均匀。
  4)盛桥泵站直管式出水流道初始方案三维流场数值模拟结果表明该方案水力损失为0.579m,阻力系数为6.43×10-4s2/m5,流道右侧存在较大范围旋涡区;经过优化改进的出水流道方案2水力损失为0.391m,阻力系数为4.34×10-4s2/m5,流道水力性能显著改善。
  5)采用泵装置模型试验的方法对盛桥泵站泵装置模型水力性能进行了研究,测得6个叶片角度下模型泵装置能量性能、汽蚀性能、飞逸特性、压力脉动特性等水力特性,结果表明:泵装置在-4°叶片角度下,运行扬程为4.73m时,装置效率能达到75.54%,满足设计要求;在设计扬程4.4m运行时,汽蚀余量为8.1m;最大扬程4.9m运行时,汽蚀余量为7.8m,水泵不会产生汽蚀危害;-6°叶片角、扬程为4.9m时装置飞逸转速为额定转速的1.43倍,不会对水泵机组造成损坏;压力脉动幅值为+6cm和-7cm,小于试验扬程1/10,没有危害。从数值模拟和模型试验两个方面来看,说明盛桥泵站选用TJ04-ZL-19水泵模型能量及汽蚀性能较好。通过水力优化,盛桥泵站整体性能较为优越,能够满足实际运行要求。数值模拟结果有效指导模型试验,节约成本,提高研究效率。同时,模型试验又可以验证数值模拟的准确性。本文研究结果不仅为盛桥泵站泵装置的设计、选型等提供理论依据,同时也对提高同类型泵站设计质量和工程建设水平具有借鉴意义。
[博士论文] 夏臣智
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:当前,面广量大的中小型泵站普遍采用开敞式进水池的进水形式,开敞式进水池易形成危害极大的水面吸气漩涡。为消除水面漩涡,对开敞式进水池进行封闭式改造。前期模型及现场实验研究均表明,开敞式进水池经过封闭式改造后,虽然消除了水面漩涡,但是诱发了新的顶板附壁涡。随着江苏省灌区改造和中小型泵站更新改造的实施,拓宽泵站稳定运行范围,防治顶板附壁涡显得十分迫切和必要。在此背景下,本文以模型实验为手段,采用图像处理、高频压力脉动测试和时频分析的方法,结合数值模拟,对封闭式进水池顶板附壁涡的发生机理和防治措施展开研究,主要研究内容和结论如下:
  (1)研究了不同湍流模型下的封闭式进水池的水力性能和顶板压力场特性,分别对叶轮和封闭式进水池开展了网格无关性分析。预测结果与实验结果对比表明Standard k-ε湍流模型预测高效区与实验一致,且Standard k-ε湍流模型对顶板的压力分布预测较为准确,最终选用Standard k-ε湍流模型作为后续研究的湍流模型,网格无关性分析表明叶轮网格单元数大于30万,封闭式进水池网格单元数大于50万后,计算结果趋于稳定。
  (2)设计建立了具有透明观测实验段的封闭式进水池循环实验装置,实验装置可进行顶板附壁涡流动机理、压力脉动、水力性能和消涡措施实验。研究了水深、顶板高度和来流偏流对封闭式进水池水力性能的影响,试验结果表明:水深越低,入流水流受到的扰动越大;顶板高度下降,封闭式进水池内出现附底涡,附底涡较顶板附壁涡对泵装置性能及稳定运行危害更大;来流偏流会使得泵装置扬程下降。研究了采样时间、窗长度和帧重叠长度对压力脉动时频特性的影响。结果表明采样时间越短,压力脉动频谱的分辨率越小;窗长度越大,压力脉动的频率分辨率提高,压力脉动的时域分辨率减小;帧重叠长度越长,压力脉动时频特性分辨率越高,但消耗计算资源增大;经过比较,确定采样时间为1s,采样频率为105Hz,窗长度为0.6fs,帧重叠长度为0.6fs。
  (3)揭示了封闭式进水池内顶板附壁涡的主要形态,阐明了顶板附壁涡的时空演化过程。试验表明,顶板附壁涡的主要形态可分为圆弧形(Ⅰ型)、钩形(Ⅱ型)、海豚形(Ⅲ型)、螺旋形(Ⅳ型)、直线形(Ⅴ型和Ⅵ型)等形态。Ⅰ型顶板附壁涡发生发展演化过程可分为先兆、初生、发展、成形和溃灭5个阶段,每个阶段顶板附壁涡具有不同的形态特征。在顶板附壁涡的成形阶段,水汽被吸入水泵,对水泵运行的影响最严重。在顶板附壁涡发生工况的整个时段,靠近水泵后壁顶板区域压力脉动幅值均显著较大,压力变化急剧。在顶板附壁涡发生工况的无涡时段,水泵与后壁之间顶板的其他区域压力脉动主要受转频影响;涡发生区域监测点的压力脉动主频不随时间改变,主频压力脉动幅值略有波动。在顶板附壁涡发生工况的有涡时段,涡附着区域的压力脉动频谱有两个特征,一是由压力下降引起低频脉动幅值显著增大,顶板附壁涡的特征低频频率为1.11Hz;二是涡附着区域的叶频压力脉动幅值随涡的发展溃灭而先增大后减小。在顶板附壁涡的初生阶段,涡附着区域的压力脉动主频保持稳定,涡的初生阶段涡对附着区域的扰动较小;顶板附壁涡发生时,涡附着区域的压力脉动低频分量的能量明显提高。对顶板附壁发生的工况进行非定常数值模拟,数值模拟预测的顶板附壁涡发生位置和相对强度与实验吻合。揭示了顶板附壁涡的形成机理,顶板上入流水流与后壁水流交汇,形成直线形的水流交汇界线,交汇界线处水流发生强烈的剪切作用,在交汇界线的两端形成了漩涡,实验发现水流交汇界线区域的压力脉动频谱的特征频段为200Hz~400Hz。
  (4)基于统计的方法,分析了流量、水深和顶板高度参数对顶板附壁涡发生频次的影响,结果表明顶板附壁涡的历时过程中,存在“平静期”和“活跃期”的特征;顶板附壁涡的发生次数与流量呈现正相关特性,与水深呈现负相关特性;随着顶板高度下降,顶板附壁涡得到消除,但会诱发新的漩涡——附底涡。研究了不同流量、水深和顶板高度工况下顶板附壁涡发生的压力场特性,结果表明随着顶板高度的降低,水泵后方的压力陡降的低压脉动消失,顶板附壁涡发生的前兆之一为水泵后方顶板上出现了瞬时深V形的水压力陡降特征,该特征低压脉动强度与流量参数呈现正相关关系,与水深参数呈现负相关关系;特征低压脉动发生区域的平均压力随流量减小而降低,随水深减小而升高。顶板附壁涡发生的前兆之二为顶板上涡发生位置叶频压力脉动幅值的出现极值点,叶频压力脉动幅值在顶板附壁涡发生的区域最大,叶频压力脉动幅值随着流量减小而降低,叶频压力脉动幅值在水深降低情况有所增大。顶板上的叶频压力脉动强度随着顶板高度下降而减小,在低顶板高度工况(无涡工况),叶频压力脉动分布发生明显变化。
  (5)发明了两种新型消涡方法,可有效消除封闭式进水池顶板附壁涡。研究了W形后壁的高度和中隔墩的位置对其消涡效果的影响,结果表明W形后壁的高度和中隔墩位置参数均对顶板附壁涡的消涡效果有明显影响,且参数设置不当会在顶板上诱发新的漩涡,推荐W形后壁方案的高度为2.88D和中隔墩位置为0.950D。研究了不同封闭式进水池后壁形式方案的消涡效果,结果表明弧形后壁方案对顶板附壁涡抑制效果较小;在后壁处加入中隔墩的消涡结构能够明显抑制顶板附壁涡;梯形中隔墩方案能够完全消除顶板附壁涡,并得到实验验证。研究了4种壁面栅条方案的消涡效果,结果表明顶板壁面栅条厚度影响对顶板附壁涡的消涡效果,栅条厚度过小不能消除顶板附壁涡,顶板壁面栅条厚度为0.17D的方案能够消除顶板附壁涡,并得到实验验证;两侧壁面栅条可消除侧壁面的漩涡;顶板壁面栅条的数量影响顶板附壁涡消涡效果,栅条数量过小不能消除顶板附壁涡。
[硕士论文] 袁程
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:大型低扬程泵站在中国应用广泛,为保证经济繁荣发展、人民幸福生活、社会和谐稳定起到了不可磨灭的作用。派河口泵站是安徽省引江济淮工程的梯级泵站。该站提水扬程范围为1.4m~5.3m,总设计流量为301.5m3/s,为低扬程大流量泵站,其进出水流道的水力特性对泵站能否高效运行有着至关重要的影响。本文以派河口泵站工程为研究对象,采用物理模型试验和三维流动数值模拟进行泵装置的水力特性研究,主要研究内容和成果如下:
  (1)对泵装置模型试验进行设计。根据派河口泵站工程的设计情况,通过选型系数法和同类型换算法,分析比选南水北调天津同台测试TJ04-ZL-06和TJ04-ZL-19水力模型,选定更为适合的TJ04-ZL-06水力模型,并对模型制作过程、流量等基本参数的量测方法和能量、汽蚀、飞逸转速和脉动压力等水力特性的试验方法进行了设计。
  (2)阐述了数值模拟基本理论,确定了进水流道和出水流道流场计算所采用的边界条件及网格划分方法,并选取轴向流速分布均匀度、水流偏流角、水力损失和阻力系数作为进水流道水力性能评价指标,选择水力损失和阻力系数作为出水流道水力性能评价指标。
  (3)进、出水流道初步方案的数值模拟结果分析显示,派河口泵站肘形进水流道可为水泵叶轮室进口提供较为理想的进水流态;出水流道平直段内水流主流偏于左侧,在流道右侧及近隔墩左侧的下部存在大范围的旋涡区,水头损失较大,对泵装置能量性能有较大影响。初步方案试验结果表明,派河口泵站泵装置流量要求能够满足,但装置效率指标只能达到一般水平,在叶片角0°,设计扬程Hsy=4.8m时,流量为37.75m3/s,满足设计流量,装置效率72.65%,效率水平一般。在设计扬程Hsy=4.8m并+2°运行时,临界汽蚀余量NPSHc≌9.29m,水泵不会产生危害性汽蚀;叶片角-6°单位飞逸转速N0=248.8、最大排涝扬程Hsymax=5.3m时飞逸转速nf≌184.74r/min,相当额定转速1.35倍,不会对水泵机组造成损坏;叶片角-6°条件下,压力脉动频率0.14ms,最大振幅+5cm,-5.7cm,不会有压力脉动危害。
  (4)对进、出水流道进行了水力性能优化,通过方案的比选,进水流道优选出水流转向平缓、收缩更为均匀、流道出口流速分布更为均匀的方案2,出水流道优选出水流转向有序、扩散平缓的方案4。受试验条件限制,采用原肘形进水流道和出水流道优化方案4进行了泵装置模型试验,设计工况下的装置效率在76.43%~77.14%之间,验证了数值模拟的准确性和优选方案的合理性。
  本文开展的派河口泵站泵装置模型试验及流道数值模拟研究的方法是,数值模拟来指导模型试验,模型试验验证数值模拟的准确性。通过对出水流道的优化,有效地提高了泵装置的效率,为派河口泵站工程的建设提供了重要的依据,对保证该工程安全、高效和稳定运行有着重要意义,也为今后类似的泵站工程建设提供了参考。
[硕士论文] 朱宇泽
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:水生植物是河流的重要组成部分,可以改善河流生态,保护河床稳定,但也改变了水流结构。
  本文在实验室水槽中采用有机玻璃棒模拟刚性植物,用粒子图像流速仪(PIV)测量流速,研究含刚性植物明渠的水流结构。主要研究时均流速、紊动强度、雷诺应力三项基本流动特性在不同植物密度,不同淹没度情况下的变化规律。主要研究内容如下:
  (1)其他条件相同,植物密度不同时,上述三项流动特性发生变化。密度越大,植物阻水能力越强,植物内部流速越小,但在植物上部,流速逐渐增大,并在距离水面一段距离处超过密度较小时的流速;紊动强度最大值出现在植物顶端位置附近,植物密度大时的紊动强度自一半植物高度处至水面范围内大于密度小时情况,槽底至植物高度一半处表现不明显;雷诺应力在一半植物高度处至水面也随着植物密度的增大而增大,在槽底至一半植物高度处雷诺应力接近于0。
  (2)其他条件相同,淹没度不同时,三项流动特性也随之变化。淹没度越小,距离槽底相同高度处流速越大;紊动强度最大值随着淹没度的减小而增大,但在植物上部紊动强度逐渐减小至小于淹没度较大时的情况;雷诺应力的变化规律和紊动强度类似。植物为非淹没状态时,植物间流速增大,紊动强度也明显大于无植物时的情况,雷诺应力很小,与无植物情况比较变化不大。
  (3)对比不同植物密度、不同淹没度、不同断面平均流速情况下的植物上部流速分布形态,得出植物密度、淹没度、断面平均流速对植物上部流速分布形态的影响规律。选择了几种有代表性的工况与三种流速分布经验公式作对比,发现单一的对数分布并不能完全满足植物上部流速分布的表达,只对于流速分布没有明显转折的情况吻合较好,对于流速分布有明显转折的情况,从转折处至水面公式计算值和实测值相差较大,分布形态有明显不同。
  本文研究成果对含植物明渠水流结构研究具有一定的参考意义。
[硕士论文] 贾璐
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:洪水灾害,是世界上最为严重的自然灾害之一,严重影响人民生活安全。随着对洪水研究的不断深入,洪水预报作为重要的防洪减灾的非工程措施,能够有效的帮助人们防御洪水,减少洪灾损失。
  本文以塘马水库为研究对象,结合丘陵区中小型水库流域的自身特点,根据多年历史资料对雨情、水情进行分析;考虑上游小水库的拦蓄作用,构建基于API模型和SCE-UA算法的中小型水库产流预报模型,利用实测资料对模型进行验证;制定不同的产流、汇流方案,通过计算,分析比较不同产汇流方案对塘马水库的设计水位的影响。获得的主要研究结果有:
  (1)从多年降雨总量来看,年降雨量总体上是呈上升趋势,年际降雨量变化较大,降雨年内分配不均匀,塘马水库流域的降雨主要集中在5~8月,水资源利用率不高;年降雨量主要集中在700-900mm和900-1100mm的降雨区间,降雨主要以小雨、中雨为主,50年来暂未出现过特大暴雨;雨量雨日之间的关系总体上是呈上升的趋势,大部分年份的雨量是随着雨日增加而变大,各年雨量雨日点之间比较分散,年雨量、雨日之间相关性较差;对于重现期为10、20年的设计雨量时,年多次法、超定量法的结果可以考虑,当重现期较大时,年多次法和超定量法,不适用于塘马水库。
  (2)在考虑到上游小型水库对区域产流的影响,构建了基于API模型和SCE-UA算法进行塘马水库洪水预报的产流预报方案,塘马水库的48场洪水中,合格场次为35次,合格率73%,产流预报方案为乙等。48次洪水均存在小型水库的拦蓄作用,拦蓄总量占小型水库总的入库径流量的77.3%,小型水库的拦蓄作用对于塘马水库流域产流影响较大。
  (3)通过不同产汇流方案对设计水位的影响分析,发现产流参数对设计水位影响较小,敏感度不高,汇流参数对设计水位影响较大,敏感度较高;就两个产流参数(Cp,Ci)而言,Cp较Ci而言敏感度较低,就两个汇流参数而言(n,K),K对入库洪峰流量和最高水位的敏感度高于n。
  对于产流方案而言,当Cp值变大时,流域产生的净雨量减少,入库流量降低,入库的洪峰流量也随之降低,最高水位值也在下降;当Ci值变大时,流域产生的净雨量减少,入库流量降低,入库的洪峰流量也随之降低,最高水位值也在下降。对于汇流方案而言,n,K的变化对入库流量过程曲线形状影响较为明显。随着n值的变大,曲线图变得高瘦,洪峰流量不断变大,洪峰出现时间有所推迟,但最高水位出现了一个先变小再变大的情况;随着K值的增大,曲线变得矮胖,洪峰流量出现时间不断推迟,洪峰流量变小,整个入库流量过程变得更加平坦。制定不同的产流、汇流方案,通过计算,分析比较不同产汇流方案对塘马水库的设计水位的影响。
  本文以塘马水库为研究对象,通过本文的研究为塘马水库的产流预报、洪水灾害预防及水库调度提供科学依据,根据本文的产流模型研究以及产汇流参数对水库设计水位的影响分析,研究成果可以为江苏省其它中小型水库,特别是丘陵地区中小型水库的洪水预报构建、水库的调洪演算以及水库的调度提供一定参考。
[硕士论文] 舒海辉
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:水荷载是拱坝结构承受的主要荷载,关系到拱坝结构的稳定性与安全性。水荷载施加方法主要包括三种:面力施加、体力施加以及面力与体力结合施加,不同的施加方法分析得到的拱坝结构应力响应不尽相同。为了研究拱坝结构分析中水荷载施加方法的影响,本文基于渗流应力耦合分析理论,利用有限元方法,计算分析不同水荷载施加方法作用下的拱坝应力响应,同时研究了水荷载施加方法对拱坝整体承载力的影响。主要研究内容如下:
  (1)总结水荷载及其施加方法的研究现状,概括了多孔介质渗流应力耦合分析的研究进展。
  (2)应用有效应力原理、弹塑性力学和有限元分析等基本理论,建立饱和非饱和多孔介质渗流应力耦合分析数学模型以及有限元分析方程,为应用有限元法进行渗流应力耦合分析做理论铺垫。
  (3)介绍了有限元分析软件ABAQUS的分析流程及其关于渗流应力耦合分析的理论,阐述了运用ABAQUS进行渗流应力耦合分析的要点。
  (4)分析三种不同水荷载施加方法:坝面施加静水压力、坝面及库岸岩面施加静水压力、坝面施加静水压力及地基施加渗透荷载。分析了不同水荷载施加方式下拱坝结构的应力与变形,比较分析不同施加方法对坝体应力与位移的影响,结果表明坝面施加静水压力或坝面施加静水压力及地基施加渗透荷载对拱坝的应力与位移响应影响不大,考虑库岸岩面水压后,应力增大会超过30%。
  (5)考虑坝体自重和温度荷载,分析两种荷载工况:坝面施加静水压力、坝面施加静水压力及地基施加渗透荷载,运用超载法,对拱坝结构进行整体承载力分析,研究了不同荷载工况下坝体应力应变响应及结构安全系数。
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:泵站在灌溉、排涝、调水、城市供水、污水排放,保护人民生命财产安全,促进经济发展,改善人民生活,建设生态环境等方面起着关键作用。梯级泵站系统是一套用渠道串联起来的泵站梯级,每一梯级泵站由多台泵机组并联组成,这些泵机组的作用是将水从低处提到高处,并通过渠道输送到下一梯级泵站。
  实际泵站-渠道系统中的流动状态通常随时间而变化,因此,流动是瞬变流动。由于瞬变流动参数随空间和时间变化,瞬变流分析较恒定流复杂得多。大型梯级泵站系统通常采用渠道输水,当泵机组开机或停机时,渠道中水流的稳态条件受到干扰,于是产生了瞬变流动,流动参数在较长时间内一直在变化;此外,瞬变流的水位与泵站运行工况相互影响。因此,情况十分复杂。
  本文研究了两级泵站梯形河道内的瞬变流动和泵站运行工况。构建了数学模型模拟一维非稳定渐变的明渠水流,模型除了考虑河道的水力损失外,还考虑了河道的土壤渗漏和水面蒸发水量损失。提出的模型应用于位于中国江苏的淮安-淮阴实际泵站系统。主要工作和取得的成果如下:
  (1)为了求解梯级泵站系统河道瞬变流动,分析比较了Saint-Venant方程的数种求解方法,构建了考虑河道水力损失、土壤渗漏和水面蒸发水量损失、泵站边界条件的梯级泵站河道瞬变流计算模型,提出了基于Lax diffusive scheme的模型数值求解方法。
  (2)将提出的数学模型和求解方法应用于淮安-淮阴梯级泵站系统。在泵站水泵机组起动后,河道内立即产生瞬变流动。为了保证模型计算结果的稳定性和精度,进行了计算步长试验,确定最优计算距离步长为△x=1m,最优计算时间步长为△t=0.01s。计算和讨论了河道沿程水面线、断面流量和水量损失的变化规律及其影响因素。结果表明,河道水面线变化时间较长,直至几乎稳定,因此,泵站运行工况也长时间变化;泵站运行模式一定,对河道不同的初始水位情况,河道水面线和流速均趋向于相同的结果。河道瞬变流达到几乎稳定状态所需的时间取决于河道初始水位,初始水位越接近最后稳定水位,所需的稳定时间就越短。将计算结果与实测数据进行比较,验证了计算结果的准确性。
  (3)同时起动上、下两级泵站机组时,河道中产生两组水波—正向高波和反向低波,分析了水波的产生与传播机理。在水泵机组起动后的最早2~4小时内,河道沿程各断面的水位和流量随时间变化剧烈,如果此时在河道断面测量泵站流量,将会造成很大的误差。随着时间的推移,河道断面流量变化越来越小,直至上游泵站流量等于下游泵站流量与河道流量损失之和,达到平衡状态。
  (4)研究了泵站不同运行模式(机组运行台数和叶片角度)下泵机组同时起动时两级泵站间河道的瞬态流动和泵站运行工况。计算和讨论了不同时刻河道水面线、断面流量和损失流量。结果表明,当通过改变运行泵机组数量和叶片角度而改变泵站流量时,河道水面线升高或降低,直至趋于稳定状态,其所需的稳定时间与泵站流量大小有关。泵站流量越大,河道瞬变流的稳定时间越短。
  (5)研究了不同河道长度的两级泵站间河道内的瞬态流动和泵站运行工况。计算和讨论了不同时刻沿河道的水面高程、断面流量和流量损失。结果表明,河道长度影响河道水面线升高或降低达到稳定状态所需的时间,河道越短,水流稳定时间越短。
  (6)研究了机组因故障不能起动或造成停机的异常情况下两级泵站河道的瞬态流动和泵站运行工况,建立了数学模型并应用于梯级泵站系统异常情况的求解。针对第一级泵站、或第二级泵站、或一台泵机组不能起动,其中一级泵站或一台泵机组稳定运行时突然故障停机的异常情况,计算和讨论了河道水面高程,断面流量和流量损失。结果表明,泵站故障异常情况下的水面线升高或降低,趋于新的稳定状态,对泵站运行、河道流量、泵机组和河堤的安全都有影响。因此,泵站管理、维护和抢修应根据其瞬态特性进行科学合理安排。特别是对于允许的抢修时间不能满足要求时,必须停掉正常运行泵站的全部或部分机组,或将运行水泵的叶片角度调到最小,以保证有足够的时间抢修泵站。
  本文对大型梯级泵站系统河道不同的初始水位、泵站不同运行模式、不同河道长度和几种故障异常情况下的河道瞬变流动、泵站运行工况及其应用进行了研究,对河道水面线、流量和流量损失进行了计算和讨论。成果对大型梯级泵站的设计、运行和管理具有重要的理论价值及应用意义。
[硕士论文] 刘敦伟
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:长期以来明渠水力半径分割线的研究,一直是水力学研究的重要课题之一,但大部分学者都是针对光滑或均质粗糙明渠的水力半径分割线进行研究,对非均质粗糙明渠水力半径分割线进行研究的学者相对较少。本文从现代流体力学的基本理论出发,推导了一种形式简单的非均质粗糙矩形明渠分割线方程。并利用此方程,得到了粗糙明渠边界平均切应力的公式、明渠平均流速和阻力系数的公式以及明渠综合糙率的公式,并与有关实测资料进行比较分析。
  1.本文从形式简单的指数流速分布公式出发,假定存在一个水力半径分割线将明渠过流断面划分为三部分,且在与壁面垂直方向上的流速服从指数流速分布规律,推导出了明渠水力半径分割线方程,并与Einstein及杨树清方法进行了比较。
  2.本文在推得的水力半径分割线的基础上,利用积分的方法推出非均质粗糙明渠侧壁和床面的边界切应力公式以及平均切应力公式,并与收集到的有关试验数据进行验证分析,结果表明本文推得的非均质粗糙明渠切应力公式,与杨树清推得的公式相比,更为准确可靠。
  3.本文在推得的水力半径分割线的基础上,根据指数流分布公式,推导出了非均质粗糙明渠平均流速及阻力系数公式。并对宽浅明渠情况下平均流速公式进行了验证分析,结果表明,推求的平均流速公式与试验资料的实测值能够较好的吻合。
  4.本文在推求的水力半径分割线方程的基础上,根据流量守恒定律和曼宁公式,推得非均质粗糙明渠综合糙率公式,并与收集到的试验资料进行验证分析。结果表明本文公式与实测资料较为吻合,可在实际工程和水槽实验中推广使用。
[硕士论文] 贾培
水工结构工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:水闸是一种重要水工建筑物,我国修建了大量水闸工程,为我国的水利事业做出了巨大的贡献,给国家带来了显著的社会效益和经济效益。我国安全施工的基本方针是“安全第一,预防为主,综合治理”,水闸工程施工安全问题一直以来都是水利工程建设中的重要问题,随着国民经济的高速发展和生活水平的不断提高,对水闸工程施工安全提出了更高的要求。水闸工程施工过程中,及时发现安全隐患,采取相应措施防止事故的发生,如果损失不可避免,采取有效的应急救援措施,降低危害后果,提高项目的安全管理水平,具有重要的现实意义,因此有必要对水闸工程施工安全分析方法进行研究,为水闸工程施工的实施者和管理者提供科学的依据。本文以江苏省入江水道东偏泓闸为工程实例,进行水闸工程施工过程安全分析方法研究。主要研究内容如下:
  (1)结合水闸工程施工的特点,总结了影响水闸工程施工安全的主要因素,构建了水闸工程施工安全评价指标体系,提出了指标量化标准。
  (2)采用修正的作业条件危险性评价方法对水闸工程施工中单个不安全因素的危险度进行分析评价。
  (3)采用序关系分析法、变异系数法对施工安全评价指标进行赋权,利用博弈论对权重进行融合,依据水闸工程施工安全评价指标体系,确定了各指标权重。建立案例推理模型,确定了水闸工程施工过程的安全风险等级。基于面向对象程序设计思想,采用Visual Basic进行水闸工程施工过程安全分析系统的开发,建立一套界面友好、使用简捷方便、计算结果准确可靠的软件,为水闸工程施工过程安全分析提供了一个行之有效的计算工具。
  (4)研究了人工神经网络基本理论,运用MATLAB神经网络工具箱对实例样本进行网络训练,建立了水闸工程施工安全分析RBF神经网络模型,确定了水闸工程施工过程的安全风险等级。
  (5)通过实例分析了安全生产标准化达标管理流程和评级,安全生产标准化管理对于提升水闸工程施工安全管理水平具有重要作用。结合水闸工程施工危险预警的基本理论及相关概念,建立了水闸工程施工危险预警体系。
[硕士论文] 曹保山
建筑与土木工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:大型基坑的开挖和降水一直以来就是岩土工程中的重要部分,其技术性复杂同时系统性较强,基坑的开挖和降水能够得到较好的处理,能极大的提高建设工程的质量,且减少相关的工程事故。基坑开挖降水问题覆盖安全、经济、环保施工质量等发展的诸多方面。而且,在南水北调的东线工程中,京杭大运河上的工程建设不断增加,建设规模越来越大,遇到的工程地质和水文地质情况也越来越复杂。因此了解基坑工程的相关工程地质和水文地质情况非常重要,在周边环境和场地的基础上进行大型基坑的开挖降水设计、施工及其关键。于是本文依托扬州施桥三线船闸深基坑降水开挖支护为背景进行了以下研究工作:
  1、为了使得施工人员详细了解和掌握工程建设场地的地质现状,认真熟悉设计图纸描绘的工程地质详细分组情况:整个船闸开挖地质条件场地在勘探深度范围内分为12层,其中第三层有3个亚层,第四层有2个亚层。而这个12个层并非分布在同一个区段,在上游航道中有8个不同地质层,在上游靠船段及上游引航道有7个不同地质层,船闸工作桥有9个不同地质层,船闸处有9个不同地质层,熟悉掌握各土层的岩-土力学物理参数,以便掌握防渗帷幕降水边坡放坡等开挖关键技术控制。
  2、该船闸基坑开挖场地较大,为方便在富水互层土地质条件下进行超大基坑降水支护设计和施工,在工程地基地质和水文地质性质的基础上,采用“变大为小,化整为零”的基坑开挖降水思路,结合该船闸基坑的开挖深度和降水支护特点,将船闸基坑分为上闸首、下闸首、闸室东侧、闸室西侧、闸塘等5个大的部分开挖支护。其中上闸首主要采用钢筋混凝土连续墙结构,能够起到挡土和防渗的双重效果,其余为单排多头小直径水泥搅拌桩防渗墙,闸塘分台阶式梯式开挖。
  3、提出针对闸室东侧及下闸首中心线东侧防渗结构采用双排多头小直径搅喷式水泥土防渗墙;下闸首处于富水互层土中防渗帷幕深度超过21m采用多头小直径+高压摆喷组合防渗;闸室西侧、下闸首中心线西侧采用单排多头小直径搅喷式水泥土防渗墙。
  4、通过对京杭大运河某船闸富水互层土基坑开挖为研究背景,针对该种复杂地质状况的基坑开挖进行详细的阐述,对降排水和基坑支护的关键技术进行验算分析,同时采用多头小直径+高压摆喷组合防渗的防渗帷幕工艺为首次使用,具有一定的工程特点,积累可靠的工程实践经验,为今后同类地质条件基坑开挖提供有效参考或借鉴。
[硕士论文] 孙建云
水利工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:水流结构对河工模型试验的精度影响重大,床面加糙是河工模型试验中为保证阻力相似而采取的普遍方法,有间距加糙是最常用的床面加糙方式之一,因此开展有间距加糙床面水流运动相关问题研究具有重要的理论和实际意义。本文基于PIV测量试验结果,对光滑床面以及4种加糙床面的流速结构、紊动特性和加糙阻力进行研究,取得了以下成果:
  (1)有间距加糙床面明渠水流水力特性可分为颗粒区和粒间区,两个区域的各项水流参数差异较大。摩阻流速u*和理论床面位置的沿程分布均具有明显的分区特性:颗粒区u*普遍较小,而粒间区u*普遍较大;颗粒区的理论床面位置在颗粒顶部以下(0.15~0.35)d范围内变化,粒间区的理论床面位置在颗粒底部所在的光滑床面。
  (2)基于PIV水槽试验数据,研究了不同粗糙条件下纵向时均流速U的分布规律。结果显示时均流速流场呈现明显的条带状分布,时均流速分布与颗粒间距、颗粒直径以及排列方式关系较大。颗粒间距离越小,时均流速U越小;颗粒直径增大,时均流速减小;梅花形加糙床面的时均流速比矩形加糙床面的时均流速小,因此梅花形加糙对流速的影响较大。颗粒上游区域时均流速垂线分布呈现比较明显的对数分布,中下游区域基本呈现先稳定后增大的趋势。
  (3)光滑床面和粗糙床面近壁区纵向及横向脉动流速u、v均呈现清晰的高、低速条带结构。随着水深的增大,各类紊流事件的平均概率总体均呈先增大后减小的变化趋势;加糙颗粒对紊流事件概率的影响主要集中在颗粒顶部以下区域。床面加糙后,垂向脉动流速概率密度分布变化较小,而纵向脉动流速的概率密度分布变化较大,分布曲线变得更为尖陡,流速脉动范围更为集中。
  (4)阐述了紊动强度、雷诺应力、紊动能在不同水流条件和粗糙条件下的规律变化。结果显示纵向紊动强度呈现条带状分布,距离槽底越近,纵向紊动强度越大,在颗粒顶部上方1d范围内达到最大,然后逐渐减小;颗粒直径越大,纵向紊动强度越小。雷诺应力呈现先增大后减小的趋势,在颗粒顶部位置达到最大值;颗粒直径越大,雷诺应力越小。紊动能沿水深的变化规律与纵向紊动强度基本一致,最大值出现在颗粒顶部以下1d范围内;床面加糙颗粒直径越大,紊动能越小。相同流量条件下矩形加糙床面的紊动强度、雷诺应力和紊动能均大于梅花形床面。
  (5)相对当量粗糙度ks0与颗粒大小、间距、排列方式及水流条件等因素有关,当流量相同时,颗粒直径越大或排列间距越小,ks0平均值越大;床面相同时,流量越大,ks0平均值越小;在颗粒大小、间距及流量相同时,梅花形排列的ks0平均值要大于矩形。
  (6)颗粒区和粒间区的阻力系数f随ks0的变化均服从幂函数公式。当h/d较小、床面接近大尺度粗糙时,f随ks0的递增变化明显,随着h/d的增大,f随ks0的递增变化逐渐趋缓;在ks0相同的情况下,h/d越小,f增幅愈明显;在h/d和ks0相同的情况下,颗粒区的水流阻力系数要大于粒间区。
[硕士论文] 周林勇
水利工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:溢洪道是土石坝水电站的重要组成部分,直接影响水库安全运行和调洪泄流能力,也是枢纽水力学的研究重点。金佛山水利枢纽具有水头高、地质条件复杂、下游河道弯曲等特点,受这些因素共同影响将溢洪道布置成长弯道型式。溢洪道长弯道段水流条件复杂,泄流流速急、单宽流量大等特点使得弯道效应突出。横向水位差较大(凸低凹高),易发生水流折冲现象,造成弯道边壁冲击破坏,影响水库的安全运行。本文以重庆南川金佛山弯曲溢洪道作为研究对象,通过三维数值模拟、物理模型试验的手段,研究溢洪道长弯道段水流的特性,运用渠底正加高法改善长弯道段水流条件,结合高低挑坎进行挑流消能,解决了实际工程问题,为以后工程的设计优化提供了参考。主要研究成果如下:
  (1)水工模型试验研究表明,金佛山溢洪道弯道段无超高方案时,会出现折冲现象,最大水位差大约出现在圆心角9°断面处(弯道顶部偏上游)。当采取渠底超高法,凹岸渠底加高至1.5m时,可有效改善弯道水流条件
  (2)数值模拟试验研究表明,对于弯道段渠低不同加高值方案下,综合分析不同泄流量下弯道段的流态、横向水位差以及挑流距离,渠底加高1.5m效果最优。
  (3)试验研究表明,高低坎型式的消能效果比扭曲斜切挑坎好,挑出的水流形态和落点更优。依据三维数学模型计算成果,将低坎出口束窄至2.3m,较挑坎进口缩小40%,同时内侧壁面进行放坡设计,可以消除空蚀空化的现象,挑流效果也更好。
  (4)通过分析影响弯道段超高值的相关因素和相关经验公式,得到水位差与渠底加高值之间的关系,对水位差公式进行优化,优化后的公式精度更高。
[硕士论文] 张翔宇
水利工程;港口海岸及近海工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:三峡水库的建设对我国社会经济持续发展起着重要作用,而三峡水库运行以后入库泥沙呈现细化趋势,中值粒径在001mm左右。而细颗粒泥沙以往被归于冲泻质且不参与造床作用,且一旦落淤极难清理,对库区航道正常功能的发挥及维护带来极大的压力。因此,寻求细颗粒泥沙起动的临界条件及可用于三峡库区判断冲淤的水流条件判定指标,对于解决三峡库区细颗粒泥沙淤积问题以及理论研究都具有重大意义。
  本文采用二维水流数学模型与理论分析相结合的方法进行,对三峡库区黄花城河段冲淤变化进行了初步研究,主要成果包括:
  (1)通过分析黄花城河段实测2000-2012年的大断面水沙资料以及泥沙冲淤情况,可知三峡库区呈现出“多水少沙”的来水来沙特点且入库泥沙逐渐细化,库区年内总体冲淤规律为汛期和枯水期淤积、消落期冲刷。冲刷区域和淤积区域表现为间断性的交替分布,且依旧处于冲刷、淤积动态交替的变化中。
  (2)根据实测的2012年7-10月的黄花城水道连续时间序列地形数据,使用地形法绘制河段冲淤变化图,明确冲刷淤积分别对应的位置及冲淤厚度,并选取特征断面。同时建立二维水流数学模型,经现场试验数据验证后得到特征断面每个点冲淤厚度分别对应的水流条件。
  (3)根据各断面冲淤厚度建立水流条件冲淤梯度,寻找到各特征断面临界水深,并探究水深对于细颗粒泥沙起动的影响。
  (4)验证现有的挟沙力公式是否满足黄花城水道实际冲淤变化规律,率定黄花城水道判定指标公式参数,得到可适用于黄花城水道、能够代表冲淤变化的水沙条件判定指标f(v,h)=S-0.2×(v3/gRω)076。
[博士论文] 张鹏
水利工程;水沙动力学 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:明渠湍流结构的研究已有悠久历史。因受水面比降、河床比降、河宽、尾水高度等多因素影响,对于明渠非均匀流的湍流结构认识还不充分,且明渠均匀流的湍流结构研究成果无法直接应用于非均匀流。而自然界大多数河流或渠道为非均匀流,涉及到非均匀流工程实践又迫切需要加深对明渠非均匀流湍流结构认识。因此,开展明渠非均匀流湍流结构研究,丰富了湍流基础理论,同时,对于相关工程领域有重要的实践意义。本文研究的主要目的在于加深对明渠非均匀流湍流结构的认识,采用高频率粒子成像测速系统(PIV)结合28m高精度变坡水槽,探索非均匀流的紊动统计特性以及湍流结构运动特征,提出非均匀流湍流结构运动模型。得到以下三个方面的主要成果:
  (1)在非均匀流紊动统计特性方面:结合理论分析与水槽试验结果表明:随减速流发展,摩阻流速沿程减小、雷诺应力在水深方向上的分布呈凸型曲线分布以及垂向速度紊动强度逐渐增加;加速流中摩阻流速沿程增加、雷诺应力在水深方向上的分布呈凹型曲线分布。非均匀流内区的垂线速度分布仍符合对数律。其中,卡门常数与非均匀流水深变化率(dH/dx)呈非线性关系,积分常数与非均匀流水深变化率呈线性关系,C=-336.02dH/dx+5.07。
  (2)在非均匀流湍流结构尺度特征方面:结合速度梯度张量与模式匹配法优点,运用区域生长技术,提出了改进的横向涡识别分析方法。基于功率谱、等速区域以及改进的横向涡识别分析方法,对非均匀流超大尺度结构、大尺度结构以及横向涡结构的尺度分布进行分析,结果表明:超大尺度结构、大尺度结构以及横向结构的尺度随非均匀系数增大而减小,横向涡结构普遍表现为椭圆形状,长短轴比值在1.4~1.7范围内;其涡密度与长短轴比值随非均匀系数增加而增大。
  (3)在非均匀流湍流结构瞬态运动特征及演变模型方面:采用基于互相关算法形成的大尺度结构追踪技术以及本征正交分解方法,对非均匀流超大尺度结构、大尺度结构以及横向涡结构瞬态运动进行分析,结果表明:超大尺度结构主要含能结构在随非均匀系数增大而减小,非均匀流大尺度高低速流团各自集中出现以及相互掺混出现,集群纵向尺度随非均匀系数增大而减小,横向涡结构由大尺度高低速流团相互运动而形成。提出了非均匀流湍流结构演变模型:以水面区下扫流为湍流结构运动主要驱动力;形成超大尺度流向涡结构、大尺度高低速结构;大尺度高低速结构相互运动产生横向涡、发夹涡包以及水面泡漩结构。
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