为探明拦污栅、隔流墩、底坎等局部结构对进水口流态及水头损失的影响规律,以某低水头大流量水电站为例,建立了由库区至水轮机蜗壳的取水流道三维水流数学模型,分析了不同机组引用流量以及排沙底孔运行条件下的进水口水力特性。研究发现,由于左右进水孔下部设置排沙底孔,水流从拦污栅底部与进水口底坎之间的进流通道斜向流入进水口,栅前过流面积较大,左右进水孔拦污栅栅前流速分布与中孔不同,最大流速比中孔偏小30%,平均流速偏小26%。排沙底孔运行致其对应孔的栅前过流面积减小,流速分布更加均匀,较排沙底孔不运行平均流速增大了21%。栏污栅横梁、中隔、栅条尾部以及各隔流墩墩头转角处、进口底坎处存在低压、高紊动能区,是进水口水头损失产生的主要区域,其中拦污栅段水头损失约占进水口总水头损失的50%。排沙底孔不运行时,左、中、右孔拦污栅水头损失系数分别为2.1、0.9、1.7;排沙底孔运行后,栅前断面流速分布更加均匀,较排沙底孔运行左孔拦污栅水头损失系数减小43%左右。因此,进水口优化应重点关注进口段及拦污栅段的水头损失控制,尤其是横梁、中隔、栅条尾部及隔流墩墩头转角等局部结构的流线型优化。

长距离重力流输水工程中水锤易致管道振动破裂,严重威胁供水安全。以新疆某地区JK输水工程为研究对象,采用多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)和特征线法(MOC)构建输水系统水锤防护多目标优化模型,以安全性指标和经济性指标为目标函数对优化模型求解。实例分析表明,基于NSGA-Ⅱ的优化方法可生成一系列Pareto最优方案,既能显著降低最大水锤压力(降幅约13.21%),又能有效控制防护设备规模与成本(空气罐体积减少约28.6%);优化方案C作为最终实施方案:布置7个气囊式空气罐,空气罐体积为5 000 m³,预设压力为1.2H^*,连通管内径为600 mm。研究结果对长距离重力流输水系统的水锤防护设计具有理论指导意义与工程参考价值。

经典摩阻流速估算方法(如对数流速法)已成功运用于均匀流摩阻流速计算,但针对堆积体壅水区非均匀流摩阻流速计算还未形成系统的计算方法。基于此,开展不同流量下堆积体壅水区水力特性试验,采用单点雷诺应力法、三维紊动能法、垂向紊动能法、对数流速法等4种方法计算非均匀流摩阻流速,探讨摩阻流速与壅水特性的关系;基于实测流速分布,拟合卡门常数k与积分常数A的关系曲线;通过紊动强度反演经验系数D、λ,揭示其对摩阻流速估算的影响。研究结果表明:①三维紊动能法、单点雷诺应力法最适合描述堆积体影响下的床面摩阻特征,2种方法计算的摩阻流速均值相对偏差最小;摩阻流速u_*与壅水参数β呈单调递减。②壅水区垂线流速分布仍遵循对数分布,但全断面的卡门常数k均值低于传统拟合推荐值0.4,建议积分常数A=7.5~9.5。③紊动强度经验系数D受流量与采用的摩阻流速模型类型影响,D_u:D_v:D_w=1.41∶1.00∶0.40;经验系数λ仅受流量影响。垂向、纵向、横向紊动强度随水深增加呈衰减趋势,验证了所选摩阻流速估算方法的合理性。研究明确了堆积体壅水区非均匀流摩阻流速估算方法,修正了流速-紊动参数取值,为山区河道堆积体附近水域精细化水力模拟、防洪工程设计与河道治理提供了研究依据,对地震次生地质灾害后的河道修复具有参考价值。

针对黏弹性管道水锤压力精准计算问题,基于有机玻璃管水锤压力试验数据进行分析,并结合黏弹性管材的蠕变特性,对经典黏弹性理论水锤压力计算公式进行修正,构建适用于黏弹性管道的水锤压力计算公式。基于修正后的水锤压力计算公式,利用反向传播(BP)神经网络的非线性拟合功能,预测了同类型管材的水锤压力。研究结果表明:黏弹性管道水锤压力与阀门关闭时间呈反向变化,关阀时间越短,产生的水锤压力值越大;修正后的黏弹性水锤压力公式计算值与试验值的最大误差仅为3.3%,显著优于传统黏弹性理论模型,神经网络预测结果与拟合公式计算结果误差为1%~4%;提出的数值模拟方法可为黏弹性管道工程水锤风险评估提供可靠的参考依据。

极值理论是预测稳定河道水力几何形态的重要方法,不同极值理论在不同河床质(砂质、砾质)条件下的适用条件和计算精度差异尚未形成共识,给实际工程的理论选择带来困难。分析对比最大水流效率(MFE)理论、最小弗劳德数(MFN)理论和最大熵与最小能耗率结合(ME & MEDR)理论的计算原理与适用条件。3种极值理论所需参数各异:MFE理论考虑平滩流量、泥沙中值粒径、糙率、比降及水力半径;MFN理论仅需考虑平滩流量和泥沙中值粒径,计算最为简便;ME & MEDR理论复杂程度介于前两者之间,需考虑平滩流量、比降、糙率和稳定边坡。采用351组砂质和砾质稳定河道数据对3种极值理论进行计算验证,并以平均相对误差(MRE)、几何平均偏差(AGD)和相关系数 r 为评估指标进行误差分析。结果表明:对于砂质稳定河道,3种理论均具有较好的计算精度,MFE理论误差略大于另外2种理论;对于砾质稳定河道,MFE理论误差明显增大(河宽MRE=0.59,水深MRE=1.14),而MFN和ME & MEDR理论仍保持较高精度。综合3项评估指标,MFN理论对河宽的计算精度最高(砾质稳定河道MRE=0.23,AGD=1.25),ME & MEDR理论对水深的计算精度最高(砾质稳定河道MRE=0.17,AGD=1.21)。研究明确了不同极值理论的最佳适用范围:砂质稳定河道可综合采用3种理论计算;砾质稳定河道则建议优先采用MFN和ME & MEDR理论,为特定河床质类型的稳定河道水力几何形态计算提供了量化依据。

为提升管道系统水锤波压力变化过程的预测精度，提出基于物理信息神经网络（PINNs）的管道瞬变流动压力预测框架，将连续性方程与动量方程嵌入神经网络损失函数，利用自动微分（AD）求解偏微分方程，从而实现有限标注数据条件下的高精度压力模拟。同时，基于传统局部自适应激活函数（LAAF）加入可学习的偏移参数β，并结合小批量梯度下降策略，提高了模型预测的稳定性和精度。结果表明：提出的M-LAAF2-PINNs模型能较好地捕捉水锤压力特性，在预测精度方面显著优于Baseline-PINNs模型与LAAF2-PINNs模型，L₂相对误差分别降低了37.32%和23.83%；此外，波速敏感性分析、多初始流速工况验证及泛化性分析结果表明了改进模型具有更强的泛化能力与鲁棒性，可为工业管道系统的压力监测提供更优的技术手段。

目前拦河闸折线型低实用堰堰流淹没界限判别、淹没系数计算方法尚不完善。基于堰高T≤2.0 m及不同T与堰顶长度δ之比T/δ的拦河闸折线型低实用堰泄流能力试验,研究折线型低实用堰堰流淹没界限判别和淹没系数计算,提出相应的判别标准和计算方法。结果表明:①折线型低实用堰堰流临界淹没界限小于宽顶堰堰流临界淹没界限,并随T、T/δ的增大而减小;②在同一淹没度h_s/H₀条件下,折线型低实用堰淹没系数σ小于宽顶堰淹没系数σ₀,并随T、T/δ、h_s/H₀的增大,两者的相对误差η绝对值增大;③在h_s/H₀≤0.96条件下,获得了σ修正系数的计算方法。研究成果得到了相关工程模型试验验证,可供类似工程设计参考。

水利工程阻隔了鱼类洄游通道,使鱼类下行受到影响。为保障鱼类安全有效下行,掌握鱼类下行行为特征及水动力需求是下行过鱼通道设计的基础和关键。通过对比国内外下行目标鱼类特点,梳理了主要下行鱼类的行为特征;归纳了目标鱼类下行对水动力条件响应的研究成果,总结了鱼类安全高效下行所需的水动力条件;进一步分析了过鱼旁路、水轮机、集运鱼系统等下行过鱼通道设计时,对鱼类下行水动力需求的考虑及相应的改进措施。目前国内外多以幼鱼为研究对象,以原位试验与室内试验为主、数值模拟为辅的技术手段,探索鱼类下行对水动力条件的偏好。未来可围绕鱼类下行特点、下行行为方式转换机制及安全下行的水动力条件,开展成鱼及不同鱼种的深入研究,建立鱼类安全下行的水动力需求数据库,加强下行过鱼通道的设计及过鱼效果的监测与评估,促进水利工程与鱼类保护的协同发展。

为探究强潮河口弯道的环流规律,并评估SCHISM模型在该类复杂水流模拟中的适用性与计算效率,基于SCHISM建立钱塘江河口闻家堰河段三维水动力数学模型,模拟洪水期及潮水期弯道的纵向流速、水位横比降及环流强度的时空分布,并分析模型计算效率。SCHISM对强潮河口弯道水流模拟具有较好的适用性和高效性;弯道横比降在涨潮期变化剧烈且存在双峰现象,落潮期变化相对平缓,最大横比降远小于涨潮期;环流强度空间分布呈弯顶大、两端小的特征;一般情况下弯道横比降和环流强度主要由潮水控制。SCHISM可有效模拟强潮河口复杂弯道环流特性。研究成果可为类似河口弯道的防洪与治理提供参考。

针对消力池消能不充分、流态紊乱等问题,提出一种V形墩新型辅助消能工增加消能率η,并引入水跃位置前移率P作为评价指标用以量化V形墩对水跃位置的调控效果。通过模型试验与数值模拟相结合的方法分析弗劳德数Fr、夹角θ、排间距γ、首排墩位置Γ、墩高比ξ、收缩比β等因素对η和P的影响。结果表明:Fr对η影响最显著,最优方案下η为95.58%;Γ及ξ对P影响最显著,最优方案下P为49.42%。V形墩通过增强紊动与漩涡耗能,跃前断面最大流速下降幅度达39.4%,有效抑制大尺度涡旋发展。V形墩消力池较传统消力池流态更平稳,能量耗散更充分。研究成果可为类似工程消能工设计提供理论依据。

为解决低水头枢纽设计泄流曲线与实际调度运行不符的问题,基于泄流曲线差异成因分析,提出一种结合水力学计算、原型观测和数值模拟的泄水闸泄流曲线率定方法。以赣江中游某航电枢纽为例,基于走航式声学多普勒流速剖面仪(ADCP)测流技术开展发电和泄洪工况下流量原型观测,并结合水力学计算和三维CFD数值模拟对枢纽泄流曲线进行率定,提出了适应现场时变边界条件的泄水闸控泄和敞泄泄流曲线族。研究表明,机组流量特性(N-H-Q)曲线插值法计算发电引用流量精度较高,可用于分析枢纽总出库流量中发电和弃水流量占比。经率定的泄水闸泄流曲线与实测数据偏差≤5%,可供枢纽调度运行使用。研究成果可为类似工程泄流曲线率定提供借鉴。

目前国内有较多船闸改扩建,由于布置受限,常采用多线船闸共用引航道的布置格局,多座船闸充、泄水引起的引航道内的非恒定流更加复杂,对船舶航行安全造成了较大影响。以现状葛洲坝三江引航道双线船闸为例,基于二维N-S方程数学模型,系统地探讨了不同泄水组合运行条件下共用引航道内水流波动特性、流速变化及叠加规律。结果表明:错时泄水时,后泄水船闸产生的正向流与先泄水船闸产生的反向流在引航道相遭遇会引起共用引航道内反向流速减小;相较单线船闸,双线泄水时,共用引航道内水位波峰增值随错时时间先大后小至零不变,波谷差值先正后负再不变,且在错时12~22 min泄水时,引航道内波谷更小;错时泄水时,首周期内波峰呈线性相加特性,而波谷在特定错时时间内叠加效应与相加特性差异不大。研究结果可为优化改扩建后的双线或者多线船闸共用引航道的通航水流条件、保障通航安全以及葛洲坝航运扩能工程提供参考。

90°弯管在工程中应用十分广泛,试验研究表明弯管内二次流(迪恩涡)的非定常运动可致使管道出现热疲劳和机械疲劳,严重危害工业管道系统安全运行。早期研究仅关注弯管内时均水力特性,管内二次流非定常动力学特性研究较匮乏。迪恩涡摆动现象作为90°弯管湍流的基础流体力学问题近年来逐渐受到关注。笔者从上游进流条件、弯管处流动分离、流动结构、摆动特征频率、二次流影响范围和流动控制等方面出发,对以往迪恩涡摆动现象研究成果展开讨论。经对比分析现有研究成果指出,现阶段对迪恩涡摆动现象的认识仍不全面,其动力学特性和时空演化机理尚不明晰,且缺乏高精度三维流场数据,提出在迪恩涡摆动现象的触发机制、本征模态、摆动特征频率、空间结构和流动控制方法等方面仍值得进一步探索和研究。

侧向来流易使前池内水体在变向的过程中产生脱流及回流现象,导致前池流态恶化、严重威胁泵站机组高效稳定运行。采用计算流体动力学(CFD)方法对大寨河泵站的进水建筑物进行了流场计算,并通过物理模型试验对数值计算方法的有效性加以验证,定量和定性对比分析了采取导流格栅、整流坎和各型式导流墙共5种流场调控措施时前池及开敞式进水池的流场特征。结果表明: 采用弧形导流墙和直线导流墙相结合的措施时流场调控效果最佳,该方案各潜水泵喇叭管进口面的轴向速度分布均匀度与初设方案相比平均提高了14.8%,速度加权平均角平均提高了9.2°,且采用弧形导流墙和直线导流墙相结合的措施时各机组间轴向速度分布均匀度的极差最小,优选的流场调控方案能为潜水泵站各机组提供较好的入流条件。研究成果可为本工程及类似侧向进水泵站工程提供重要参考。

为研究地形岸线变化对潮流不对称性的影响,基于Delft3d-FM模型建立珠江口区域的二维水动力模型,其中潮位、流速模拟值与观测值吻合。对比在1970s和2010s地形岸线下,伶仃洋主要天文分潮O₁、K₁、M₂、S₂和浅水分潮M₄、MS₄振幅相位变化,引入偏度方法,揭示了潮流流速不对称(FVA)、潮流历时不对称(FDA)的分布规律以及不同主要分潮组合对FVA、FDA的贡献。结果表明: 伶仃洋区域地形岸线变化使主要浅水分潮的振幅增大、相位北移且湾口与湾顶相位差减小,落潮优势减弱,落憩历时缩短,整体使得伶仃洋区域潮流不对称性增强。对FVA而言,K₁/O₁/M₂分潮和余流项贡献占主导,伶仃洋FVA的偏度仍呈现沿程减小的趋势。对FDA而言,M₂/M₄、M₂/S₂/MS₄分潮组合贡献占主导,伶仃洋地形岸线变化使分潮组合的贡献增大。

畸形波生成及演化的影响因素众多,基于自主研发的黏性流数值波浪水槽,开展畸形波生成及其影响因素的数值研究。首先利用试验结果验证数值波浪水槽生成畸形波的准确性,然后模拟分析畸形波传播过程中的波面变化,采用谐波分离方法分析波群非线性对畸形波传播过程中的波面变形、聚焦位置和时间及内部结构变化的影响规律;之后开展数值试验,分析谱型、波群的组成波个数、频谱宽度、谱峰频率及水深等关键因素对畸形波生成的影响规律,深入探究各个因素的敏感性。结果表明:采用不同频谱类型产生的畸形波表现出不同的能量分布和聚焦时空变化。同时,组成波个数影响波群的聚焦重现周期。在有限水深情况下,畸形波的聚焦幅值并非随着谱宽的变窄而增大,同时受水深、谱峰频率等因素的影响较大。该研究有助于理解畸形波的生成机制,对实验室生成畸形波具有参考意义。

为探究曲线型消力池内糙条联合梯形墩消能导流特性,采用正交试验方法,设计7因素3水平试验方案进行模型试验。引入消能率η、水面横比降变异系数C_v等指标对消能工的消能导流效果进行评价;通过对试验结果进行主效应方差分析和事后多重比较、对影响水流结构的因子进行量纲分析和多重回归分析,建立多因素影响的消能导流评价模型。研究结果表明:梯形墩间距Δζ直接影响水流能量耗散程度,糙条宽度b减小凹凸岸水位差效果显著;最优糙条联合梯形墩布置较无消能工,η提高9.75%,C_v降低0.718 4;η、C_v实测值与评价模型预测值的相对误差均低于10%,表明建立的预测模型可用于实际曲线型消力池消能导流效果预测。

实现水文测站在线流量高精度计算对于水文监测、水旱灾害防御、水资源管理等具有重要研究意义。采用水文测站监测的上下游水位作为边界条件,构建水文测站附近河段一维水动力模型,使用卡尔曼滤波技术根据水文测站实测流量对所建模型糙率参数进行自动率定,利用BP神经网络对水位糙率关系进行学习训练,实现水文测站流量在线计算;以兰溪水文站为例,基于该方法的兰溪测站在线洪峰流量计算精度高于目前使用的指标流速法。研究成果具有良好的参考意义和推广应用价值。

复杂环境条件下,水利工程泄洪建筑物会出现正向和侧向进水并存的复合式进水工况,导致其进水口方向与河流主流方向不一致,进水口前产生的漩涡特性复杂,使得常规消涡措施效果并不理想。针对复合式进水工况下泄洪洞存在的漩涡问题,依托某抽水蓄能电站开展模型试验研究,分析漩涡产生原因并提出消涡思路,设计消涡措施。结果表明:在水流进口侧,缩短消涡梁间距可有效截断漩涡增大路线;同时,在布置3根消涡梁基础上,增设3块贴合进口形状的30°三角消涡板,并延长中间消涡竖梁宽度的方法可增加消涡能力。该方法可将直径7.5 cm的吸气漩涡彻底消减为直径0.1~0.3 cm的表面漩涡,达到完全消除复合式进水工况下吸气漩涡的目标。研究成果可为类似进水口的消涡设计提供有效参考。

调整段作为抽水蓄能电站侧式进/出水口的重要组成部分,其长短直接影响到进/出水口双向过流条件下的水力特性及工程造价,因此开展相关研究具有重要意义。在两河口抽蓄电站侧式进/出水口体型的基础上,分析了调整段长度对侧式进/出水口水力特性的影响规律。结果表明:①发电工况(出流)下,调整段长度的增加,可降低进/出水口水头损失,均化拦污栅断面流速;抽水工况(进流)下,调整段长度的增加,可降低进/出水口水头损失。②当调整段长度L与扩散段长度T满足L≥0.3T时,进/出水口双向过流的水力特性较好;当0.1T≤L<0.3T时,进/出水口双向过流水力特性略差但满足规范设计要求。研究成果可为调整段的设计及优化提供支撑。