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。

采用Bently Hammer软件分析了事故工况运行条件下奇台高压自流输水工程5种不同支管布置方案下的水力过渡过程。结果表明,在符合支管额定供水量的前提下,小管径支管并联布置代替单根大管径支管输水,能有效减少水锤波在管内反射、叠加次数,降低输水系统水锤压力,缩短压力波动时长。并联支管数从2根增至5根的过程中,最危险事故工况下主管、支管内最大水锤压力相较于单根大管径输水方案最大减幅为10.32%和48.75%;各事故工况下主、支管管内压力波动时长最大减小了63.16%和46.15%,同时消除管线负压力水头防护负压力水锤。研究发现当支管与支管连接位置处主管管径比值(β)满足0.12<β<0.28区间时,能稳定输水系统水力过渡过程又兼具经济实用性。

某引水发电枢纽兼具引水和发电功能,但其引水闸和电站机组间尚未建立流量自适应调节机制,在发电机组紧急停机的情况下无法快速启动引水闸进行流量的平衡补充,因此会造成引水渠内水位和流量的大幅波动。按照在最短时间采取最有效应对措施恢复进入总干渠流量的目标要求,确定了引水发电枢纽的应急调度原则,结合电站机组和引水闸的水位流量关系以及发电机组限制条件和引水闸门开启条件,提出了自适应应急调度策略。选取机组甩负荷的典型案例进行模拟计算,分析了应急调度扰动下明渠内水力响应过程,研究表明:通过建立的自适应应急调度策略进行调度调控能明显缩短决策反应时间,减小渠道水位波动,典型断面最大水位波动降幅达到40%以上、最大流量波动降幅达到58%。

卜形岔管在含沙条件下运行易受泥沙颗粒冲蚀磨损破坏,直接威胁管线安全运行。采用数值模拟方法,结合物理模型试验,研究了岔管内部固液两相流动。分析了岔管的磨损特性和关键影响因素,并探索了椭圆弧形倒角对岔管磨损分布的影响机制。结果表明:岔管的主管进口、出口附近磨损较严重,裆部次之,支管最轻;颗粒质量流量对岔管磨损分布影响最大,颗粒冲击速度次之;通过设置椭圆弧型倒角,可顺畅水流运动、降低颗粒作用于管壁的质量流率,从而减轻主管出口和岔管裆部的磨损,相应位置的平均磨损量较圆弧形倒角岔管分别降低了22.26%、21.03%;数值模拟结果与试验结果吻合良好,证明了数值模拟方法的可靠性。研究成果可为岔管设计提供参考。

基础冲刷是导致跨河桥梁水毁的主要原因之一。归纳了跨河桥梁基础冲刷近60 a来的研究成果,总结了一般冲刷、束窄冲刷和局部冲刷3个方面的研究进展,并分析了现有研究的不足。过去60余年,国内外学者基于水槽试验、原型观测、数值模拟等方法,围绕跨河桥梁基础冲刷开展了大量研究,取得了一系列研究成果,显著提高了跨河桥梁基础冲刷的设计水平。由于已有跨河桥梁基础冲刷研究多局限于顺直河道、非黏性河床、单桩结构等简单边界条件,研究方法多基于水槽试验和特定桥梁的原型观测结果,较少考虑人类扰动对河床演变的影响,相关结论和设计方法的适用性和可靠性有限。未来研究需要更好地将水槽试验、原型观测、数值模拟、理论分析、人工神经网络、深度学习等方法进行融合,系统深入开展受人类扰动影响和复杂边界条件的跨河桥梁基础冲刷研究,完善跨河桥梁基础冲刷的理论体系,提出适用性更广、可靠性更高的冲刷设计方法。

涵洞是沟通河系、连接生物生境的重要通道,在其中布置小型挡水结构可有效减小局部流速,增加弱游泳能力鱼类上溯成功率,提高涵洞的生态效益。为明确设置三角形挡水隔板涵洞内水力特性,在水槽单侧布置多个三角形挡水隔板模拟涵洞中的小型挡水建筑物开展水槽试验研究,利用SonTek声学多普勒流速仪(ADV)采集三维流速数据,分析挡水隔板后流速分布、湍流特性、动量输运模式等,论证增设三角形挡水隔板系统对促进弱游泳能力鱼类(小鳈)上溯行为的可行性。研究结果表明:增设三角形挡水隔板,主流区流速仍能维持为25~30 cm/s,对主流区流速影响较小;在隔板边壁产生稳定的低速区(LVZs),其流速为-4~15 cm/s,相较光滑侧壁水槽低速区的面积占比由5%~10%增加为14.80%~18.07%;挡水隔板下游低速区水流湍动能和雷诺应力明显大于无挡水隔板侧的高速区,但未超过相应的鱼类游泳偏好阈值;水流动量交换以喷射和扫掠形态为主,该瞬时形态可提供更适宜弱游泳能力鱼类游动的流动环境。

弯道水流引起的凹岸侵蚀、凸岸淤积是河道治理的主要问题之一。为探明新型河道整治构筑物——调流桨片系统在弯道河流治理中的适用性,通过三维数学模型模拟180°U型弯道设置调流桨片前后的水流流场。结果表明,调流桨片顶部位于自由面以下0.3倍水深时,凸岸区纵向流速增大13.64%,弯道中心区最大横向流速减小37.63%,当调流桨片顶部上升至自由面附近时,凸岸区纵向流速增大21.67%,弯道中心区最大横向流速减小70.33%。调流桨片截断了横向环流,使顺时针旋转的单涡环流结构分解为与原单涡方向相同的2个涡体,加剧水流能量耗散,减小水流横向输移强度。横向流速减小、凸岸纵向流速增大有利于凸岸疏浚,为弯曲型河道治理提供了新的方法。

洞内消能即在隧洞内布置消能工,可优化枢纽布置、降低造价,在引调水工程中应用较为广泛。然而洞内消能水流流态复杂,理论性计算无法满足设计要求。以某灌区渠首引水隧洞洞内消能工为研究对象,通过大比尺水工模型试验,验证渠首引水隧洞洞内消能设计参数的合理性;并通过优化试验,提出适用于洞内消能的“消力池+消波梁”组合消能布置型式,解决洞内波浪高、洞顶余幅不足、空蚀空化等问题。研究结果表明:①无压洞内最大波浪高度减小67%,洞顶余幅可满足安全输水条件;②工作闸门后底板堰面曲线段和边墙扩散段局部最小水流空化数约0.37,堰面出现空蚀空化的可能性较低;③消力池底板沿程测点水流脉动压力均方根均未超过1.0×9.81 kPa,满足结构设计要求。与传统下沉式消能工相比,本文提出的“消力池+消波梁”组合消能型式消能效率显著提高,具有更好的消能特性,水工模型试验验证了优化方案的可行性。消能方案对于解决类似工程洞内水面波动大、难以满足洞顶安全余幅的问题效果显著,消波梁作为洞内消能工,对隧洞过流能力几乎不构成影响,具有一定的普适性。研究成果可为大型灌区渠首消能设计提供参考和借鉴。

长距离重力流输水系统在大流量输水期间需开启首部泵站加压供水,形成重力流加压联合输水,如遇事故停泵极易引起管线内水柱分离,产生弥合水锤威胁工程安全。采用特征线法对空气阀、空气阀+末端阀联合、空气阀+末端阀+溢流管联合、空气阀+空气阀调压室联合4种水锤防护方案开展水锤数值模拟。结果表明:对长距离重力流加压联合输水系统,利用末端阀关闭形成增压波无法有效改善管内负压效果,还可能带来管内最大压力超标问题;利用调压管和空气阀组合的空气阀调压室兼顾了补水和补气功能,与空气阀联合防护对于管内正、负压均有良好的防护效果,可作为长距离重力流加压输水系统的首选防护手段。

为了解桑河二级仿自然鱼道的过鱼效果,采用水力学条件监测、红外线水下视频监测和下闸排空捕捞的方法对鱼道内的水力学参数及过鱼种类组成、体型分布等进行统计分析。结果表明:鱼道内蛮石缝间的平均流速为0.79 m/s,通道内的平均流速为0.635 m/s,符合流速设计要求。监测期间调查统计到过鱼数量共计3 954尾,隶属9目、14科、21属、24种,种类组成以鲤形目为主,占75.99%,鱼类个体数量以头孔无须魮最多,黄尾短吻鱼、裂峡鲃次之,过鱼体型集中在体长10~20 cm、体宽0~5 cm范围内。鱼类洄游游向不同并具有昼夜差异和季节差异,监测到的鱼类中有68%通过鱼道上溯,白天(6:00~18:00)过鱼效果显著优于其他时段,过鱼季节集中在7—8月份,原设计过鱼季节选在4—8月份基本合理。桑河二级仿自然鱼道为鱼类洄游提供了通道和适宜的水流环境,具有良好的过鱼功能,对该流域的鱼类保护具有重要的意义。