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微小水滴撞击深水液池空腔运动的数值模拟及机理研究

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物理学报 2018年第22期67卷 323-331页

作者：裴传康魏炳乾西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室西安710048

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5—6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波... 详细信息

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5—6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈(D, h_(max))的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t∝h^(5/2)的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.

关键词：水滴深水液池空腔运动

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沉沙池沉沙效果的平面二维数值模拟

自然灾害学报 2013年第2期22卷 21-28页

作者：魏炳乾刘洋孟文强王正娥西安理工大学水电学院陕西西安710048

在多沙河流上修建沉沙池可降低水流挟沙力,使水流的含沙量符合水质的要求。借助MIKE21软件模拟了浐河下游沉沙池在枯水枯沙10 a系列下的水沙运动,分析了其河床演变规律。基于交替方向隐式(ADI)技术和双扫描法(double sweep)求解了质量... 详细信息

在多沙河流上修建沉沙池可降低水流挟沙力,使水流的含沙量符合水质的要求。借助MIKE21软件模拟了浐河下游沉沙池在枯水枯沙10 a系列下的水沙运动,分析了其河床演变规律。基于交替方向隐式(ADI)技术和双扫描法(double sweep)求解了质量守恒方程和动量方程,采用以QUICKEST格式为基础的三阶有限差分显示格式求解了对流扩散方程。数值模拟很好地反映了沉沙池在10 a中的水沙运动情况。逐一分析了沉沙池的流速分布、含沙量分布、河床淤积厚度变化与河床坡降历时变化的规律。结果表明,该沉沙池的水流主要集中在右侧主河槽处,流程较短,左侧库区没有得到充分利用。经过8～9 a时,入库沙量与出库沙量基本相等,含沙量、河床淤积厚度与坡降以后基本不变。

关键词：沉沙池 MIKE21 数值模拟演变规律

椭圆形变微小水滴撞击深水液池运动大型气泡夹带机理

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物理学报 2019年第20期68卷 197-208页

作者：裴传康魏炳乾左娟莉杨泓西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室

在微小水滴撞击深水液池运动中,水滴在下降过程中产生的外形振荡对后续空腔产生及气泡夹带有极大影响.因此,本文假定5种不同宽高比(AR)的微小变形水滴,采用自适应网格技术和体积函数方法对其运动过程进行数值模拟,并详细探究不同撞击速... 详细信息

在微小水滴撞击深水液池运动中,水滴在下降过程中产生的外形振荡对后续空腔产生及气泡夹带有极大影响.因此,本文假定5种不同宽高比(AR)的微小变形水滴,采用自适应网格技术和体积函数方法对其运动过程进行数值模拟,并详细探究不同撞击速度和水滴形变对撞击后空腔变形坍缩过程、涡环的发展以及气泡夹带的影响.研究结果表明,在较高撞击速度下(Fr=112.5, We=145, Re=1740, V_i=6 m/s), AR=1.33下的长椭圆形变水滴与液池聚合并产生大型气泡夹带.大型气泡截留过程主要由水滴撞击时颈部自由面下产生的涡环控制,涡环裹挟自由界面形成滚动射流,最终射流接触夹带大型气泡.在气泡截留后期,腔内气旋推动侧壁向外拓展,有效增大了气泡体积.在撞击初期阶段,液滴形状越扁,水滴与液池颈部射流曲率越大,生成涡环强度越大.但扁椭圆水滴生成涡环距离自由面过近,界面的早期拉动破坏了涡环强度,因此涡环衰减也相对较快.

关键词：水滴深水液池气泡夹带

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基于时窗滑动平均法的水沙代表系列研究

自然灾害学报 2010年第6期19卷 147-152页

作者：魏炳乾荀洪运孙小军肖荣鸽西安理工大学水电学院陕西西安710048 西安滻灞生态区管理委员会陕西西安710033 西安石油大学石油工程学院陕西西安710065

确定良好的水文资料代表系列,对有效模拟河床演变有着重要的意义。通过采用时窗滑动平均法,选取不同长度的时窗分别对长系列水沙资料进行了滑动平均计算,确定出最优时窗的代表系列作为河工模型试验的水沙施放过程。最后,将其应用于灞河... 详细信息

确定良好的水文资料代表系列,对有效模拟河床演变有着重要的意义。通过采用时窗滑动平均法,选取不同长度的时窗分别对长系列水沙资料进行了滑动平均计算,确定出最优时窗的代表系列作为河工模型试验的水沙施放过程。最后,将其应用于灞河河工模型试验中,并与西北水利科学研究所2001年所做的正态河工模型试验之平衡河床成果相比较。结果表明:灞河B#坝库区在运行6年后,其河床达到冲淤平衡,与正态河工模型试验的平衡河床结果相符合。说明本河工模型试验所选用的水沙代表系列是正确的,所采用的时窗滑动平均法具有良好的适用性。

关键词：水沙时窗滑动平均法河工模型试验.

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海底管道悬跨段振动特性研究

自然灾害学报 2016年第1期25卷 130-136页

作者：肖荣鸽魏炳乾陈刚西安石油大学石油工程学院陕西西安710065 西安理工大学水电学院陕西西安710048

海底管道悬跨段在复杂的波流作用下,极易因涡激振动而引起管道的损坏甚至破坏。为了避免悬跨管道涡激振动的产生,对影响涡激振动的各种因素进行研究很有必要。以海底管道悬跨段为研究对象,采用流固耦合计算方法研究了外流速度、悬跨长... 详细信息

海底管道悬跨段在复杂的波流作用下,极易因涡激振动而引起管道的损坏甚至破坏。为了避免悬跨管道涡激振动的产生,对影响涡激振动的各种因素进行研究很有必要。以海底管道悬跨段为研究对象,采用流固耦合计算方法研究了外流速度、悬跨长度、管道壁厚以及内流等因素对管道振动特性的影响。结果表明,约化速度满足3.26≤Ur≤8的条件时,管道系统产生明显的锁定现象,能够观察到较大的管道横向位移;随着管跨长度的增大,管道的无量纲振幅增大;随着管道壁厚的增大,管道涡激振动的频率基本不变,振幅逐渐减小;空管道的约化速度约为6.517时其振幅最大,而当管道内有流体存在时,约化速度约为7.966时其振幅最大;输流管道的涡激振动振幅小于空管道的振动振幅。

关键词：海底管道悬跨振动流固耦合

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气力提升系统气液两相流数值模拟分析

物理学报 2020年第6期69卷 197-206页

作者：左娟莉杨泓魏炳乾侯精明张凯西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室

污水处理、油田采油、液态金属冷却反应堆和磁流体动力转换器等领域采用气力提升系统有其显著优势.由于不同液体介质与气体介质密度对气力提升系统性能影响较大,因此本文基于Fluent仿真软件,采用欧拉模型、k-ω剪切应力输运湍流模型数... 详细信息

污水处理、油田采油、液态金属冷却反应堆和磁流体动力转换器等领域采用气力提升系统有其显著优势.由于不同液体介质与气体介质密度对气力提升系统性能影响较大,因此本文基于Fluent仿真软件,采用欧拉模型、k-ω剪切应力输运湍流模型数值模拟了氮气-水、氮气-煤油、氮气-水银及空气-水、氩气-水、氮气-水下气力提升系统内气液两相流动行为,分析了系统稳定时提升立管内气相体积分数、提升液体流量、提升效率、提升管出口处液体径向速度的变化规律.研究结果表明:1)氮气-水、氮气-煤油、氮气-水银系统中,提升管内液体介质密度越大,提升管内气相体积分数越小、提升液体流量越大、提升效率越高;2)空气-水、氩气-水、氮气-水系统中,提升管内气体介质密度越大,提升管内气相体积分数越小、提升液体流量越大、提升效率峰值越小;3)提升管出口处提升液体径向速度随气体充入量的不断增加而整体波动升高,最终管轴中心附近液体速度较大,管壁附近液体速度较小.本文研究成果为污水处理、气举采油、液态重金属冷却核反应堆和磁流体动力转换器等应用领域的气力提升技术的优化提供科学的理论基础.

关键词：气力提升系统数值模拟密度提升效率

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渚滑川河口拦门沙演变特性

自然灾害学报 2007年第2期16卷 64-69页

作者：魏炳乾夏双喜早川博西安理工大学水电学院陕西西安710048 北见工业大学土木开发工学科

河口拦门沙的存在可导致径流流出不畅,并能引起一系列的河口生态及环境问题。特别是弯曲型河口,在波浪流、河川径流及弯道副流的共同作用下,拦门沙的形成及演变将更为复杂。通过对日本渚滑川河口多次实地调查资料的分析,揭示了渚滑川河... 详细信息

河口拦门沙的存在可导致径流流出不畅,并能引起一系列的河口生态及环境问题。特别是弯曲型河口,在波浪流、河川径流及弯道副流的共同作用下,拦门沙的形成及演变将更为复杂。通过对日本渚滑川河口多次实地调查资料的分析,揭示了渚滑川河口拦门沙的演变特性。结果表明:渚滑川河口修筑防波堤后,在东北方向的海洋入射波作用下,拦门沙由河口右岸发育并向左岸逐渐延伸扩展,其河水流动也相应由右岸偏向左岸一侧;不论河口有无拦门沙,3次洪水在右岸的最大冲深均稳定在-6m高程,且河床横剖面的形状基本不变,即汛期时该河口河床形状已达平衡状态。

关键词：渚滑川河口拦门沙演变

水平管气液两相变质量流流型从分层流向非分层流的转变

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化工学报 2013年第10期64卷 3606-3611页

作者：肖荣鸽王永红潘杰魏炳乾陈刚西安理工大学水电学院陕西西安710048 西安石油大学石油工程学院陕西西安710065

基于文献中提出的针对常规管中气液两相流分层流稳定性的分析,考虑管壁入流对流型的影响,通过公式推导和分析得出了水平管中气液两相变质量流流型从分层流向非分层流转变的准则。通过室内实验研究和预测计算,分析了3种不同的流型转变准... 详细信息

基于文献中提出的针对常规管中气液两相流分层流稳定性的分析,考虑管壁入流对流型的影响,通过公式推导和分析得出了水平管中气液两相变质量流流型从分层流向非分层流转变的准则。通过室内实验研究和预测计算,分析了3种不同的流型转变准则中多个入流流量下管壁入流对流型转变的影响。研究结果表明,实际水平井筒的单位入流流量通常较小,对本地管道单元流型预测的影响可以忽略不计,但是通过不断累积,使得下游管道中流动参数发生变化,从而影响了下游管道单元中气液流动的流型。因此水平孔缝管中气液两相变质量流的流型判别可以采用常规管流型判别准则,但要分段进行。

关键词：管壁入流气液两相流流型转变分层流非分层流

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缓变弯道河道冲刷试验研究

水力发电学报 2007年第2期26卷 99-103,98页

作者：魏炳乾孙小军宁利中早川博张新庆西安理工大学水利水电学院西安710048 日本国立北见工业大学土木开发工学科

有关弯道水流及其河道演变特性的研究一直为人们所关注。本文引入了在直线段和单一曲率圆弯道间插入曲率渐变的过渡段这一新的弯道型式,舒缓水流冲击力和离心力作用,以减轻水流对河床及堤身、堤脚的冲蚀破坏。作者首先对这一弯道和圆弯... 详细信息

有关弯道水流及其河道演变特性的研究一直为人们所关注。本文引入了在直线段和单一曲率圆弯道间插入曲率渐变的过渡段这一新的弯道型式,舒缓水流冲击力和离心力作用,以减轻水流对河床及堤身、堤脚的冲蚀破坏。作者首先对这一弯道和圆弯道的水流流速、副流强度进行了数值模拟的计算和比较;又通过变换床沙、流量及放水时间,进行了24组合的动床试验;最后,通过整理分析所有实验数据,对插有缓变曲线的弯道的减蚀作用进行了探讨。结果表明:插有缓变曲线的弯道可以减轻水流对两岸堤身和堤脚的冲蚀破坏;在弯道同一横断上的最大冲深与沙洲波高的比值最终稳定在0.58。

关键词：河流泥沙工程学缓变曲线弯道弯道副流河道演变冲刷