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体型参数对旋流排沙渠道水沙特性的影响

水利水电科技进展 2024年第3期44卷 64-72页

作者：南军虎代江龙李伟汪超群马康宁兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050

为明确关键体型参数对渠道和排沙洞内水沙特性的影响,在模型试验研究的基础上开展了旋流排沙渠道的水沙两相流数值模拟。结果表明:起旋室高度对截沙率影响较为显著,最大相差5.41%;排沙洞直径、倾角和起旋室出口宽度对分流比影响显著,最... 详细信息

为明确关键体型参数对渠道和排沙洞内水沙特性的影响,在模型试验研究的基础上开展了旋流排沙渠道的水沙两相流数值模拟。结果表明:起旋室高度对截沙率影响较为显著,最大相差5.41%;排沙洞直径、倾角和起旋室出口宽度对分流比影响显著,最大相差8.13%,增大倾角后改善了原排沙洞封闭端因壁面条件影响而产生的泥沙淤积;起旋室出口宽度对渠道内水沙特性基本无影响;不同体型下旋流排沙渠道均可高效、持续排沙,截沙率均大于90%,经过起旋室后,高含沙水流从排沙洞流出,下游渠道含沙量急剧减小。

关键词：旋流排沙渠道体型参数水沙特性截沙率数值模拟

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体型参数对旋流排沙渠道内水沙特性影响研究

水利水电科技进展 2024年

作者：南军虎代江龙李伟汪超群马康宁兰州理工大学能源与动力工程学院

旋流排沙渠道是基于旋转水流强挟带能力特点而提出的一种渠道排沙新技术，为明确关键体型参数对渠道和排沙洞内水沙特性的影响，在试验研究的基础上开展了旋流排沙渠道的水沙两相流数值模拟。结果表明：起旋室高度h对截沙率影响较为显... 详细信息

旋流排沙渠道是基于旋转水流强挟带能力特点而提出的一种渠道排沙新技术，为明确关键体型参数对渠道和排沙洞内水沙特性的影响，在试验研究的基础上开展了旋流排沙渠道的水沙两相流数值模拟。结果表明：起旋室高度h对截沙率影响较为显著，最大相差5.42%；排沙洞直径D、倾角α及起旋室出口宽度bout则对分流比影响显著，最大相差8.12%，布设倾角之后进一步改善了原排沙洞封闭端因壁面条件影响而产生的泥沙淤积；起旋室出口宽度bin则对渠道内水沙特性基本无影响；在各体型下旋流排沙渠道均可高效、持续排沙，其截沙率均大于90%，经过起旋室后，高含沙水流从排沙洞流出，下游渠道内泥沙含量急剧减小。本成果可为旋流排沙渠道在工程中的应用和水沙特性的研究提供参考。

关键词：旋流排沙渠道数值模拟结构参数水沙特性截沙率

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体型参数对梯形旋流排沙渠道水力特性的影响

水电能源科学 2024年第1期42卷 60-64页

作者：南军虎李伟代江龙马康宁汪超群兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050

为明确起旋室和排沙洞体型参数对梯形旋流排沙渠道水力特性的影响,采用试验研究与数值模拟相结合的方法,研究了各参数下旋流排沙渠道的分流比、空腔形态、压强、流速,对比分析了不同断面型式的水力特性。结果表明,增大起旋室进口宽度,... 详细信息

为明确起旋室和排沙洞体型参数对梯形旋流排沙渠道水力特性的影响,采用试验研究与数值模拟相结合的方法,研究了各参数下旋流排沙渠道的分流比、空腔形态、压强、流速,对比分析了不同断面型式的水力特性。结果表明,增大起旋室进口宽度,或减小起旋室出口宽度、起旋室高度、排沙洞直径,均能减小梯形旋流排沙渠道的分流比;起旋室出口宽度是影响分流比的主要因素,排沙洞直径偏小会限制排沙洞内空腔的发展;增加渠道水面与排沙洞出口间的落差后可在排沙洞内形成更有利于泥沙运动的旋转水流;梯形旋流排沙渠道的水资源利用效率更高,当渠道来流量为89.6 m^(3)/h时,梯形旋流排沙渠道的分流比较矩形渠道的降低了6.6个百分点,且同一位置处的旋转水流流速更大。研究成果可为旋流排沙渠道在引水工程中的设计与应用提供参考。

关键词：旋流排沙渠道体型参数分流比压强流速

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旋流排沙渠道排沙特性试验

农业工程学报 2022年第14期38卷 127-135页

作者：南军虎汪超群李伟高欢陈垚代江龙陶然马康宁兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

旋流排沙渠道是基于旋转水流的特点提出的一种水沙分离新技术,为明确不同来流条件对旋流排沙渠道排沙特性的影响,该研究通过物理模型试验探究了来流流量、来流流速、泥沙级配及下游渠道水力条件下旋流排沙渠道的排沙、余沙及淤沙特性,... 详细信息

旋流排沙渠道是基于旋转水流的特点提出的一种水沙分离新技术,为明确不同来流条件对旋流排沙渠道排沙特性的影响,该研究通过物理模型试验探究了来流流量、来流流速、泥沙级配及下游渠道水力条件下旋流排沙渠道的排沙、余沙及淤沙特性,分析了其截沙率变化规律。结果表明,当来流条件改变时,旋流排沙渠道的排沙特性发生规律性变化,在来流流量增加或流速增加或来沙中值粒径减小情况下,旋流排沙渠道的排沙量减小,余沙量增加,其中改变来流流量对截沙率的影响最为明显,最大变幅为16.3%。不同水沙条件下0.075~0.315 mm细颗粒泥沙的排沙量及余沙量均存在较大差异,且下游渠道余沙均以该粒径区间的泥沙为主,而粒径>0.315~3.0 mm泥沙的排除效果受水沙条件改变的影响极小。排沙洞内泥沙淤沙量随来流量和泥沙中值粒径的增加而增加,而随流速的增加而减少,但各水沙条件下最大淤沙量仅为来沙量的2.6%。在渠道下游设置挡水板后,旋流排沙渠道的排沙性能得到进一步提升,提高了粒径>0.16~0.315 mm泥沙的排除效果,与不设挡水板相比截沙率增加了4.6个百分点,改善了排沙洞内的泥沙淤积问题。旋流排沙渠道具有良好的泥沙分选效果,能有效排除高含沙水流中的粗颗粒泥沙(在不同水沙条件下最小截沙率为76.9%),从而减少了泥沙对渠道下游设施的影响,因此工程中可通过优化流量、流速、下游水力条件等提升旋流排沙渠道的排沙特性。该研究明确了不同水沙条件下旋流排沙渠道的适用性,成果可为其在工程中的设计和应用提供参考。

关键词：泥沙试验旋流排沙渠道截沙率排沙余沙淤沙

旋流排沙渠道体型优化的正交数值试验方法和应用

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水力发电学报 2022年第10期41卷 160-169页

作者：南军虎罗涵马康宁高欢汪超群兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

为优化多泥沙河流引水渠道内的泥沙级配,实现泥沙分选的效果,提出了一种新型旋流排沙渠道。基于数值模拟与模型试验结果,采用正交数值试验方法,以分流比与排沙洞典型断面的流速为目标函数,优化了旋流排沙渠道的关键体型参数,对比分析了... 详细信息

为优化多泥沙河流引水渠道内的泥沙级配,实现泥沙分选的效果,提出了一种新型旋流排沙渠道。基于数值模拟与模型试验结果,采用正交数值试验方法,以分流比与排沙洞典型断面的流速为目标函数,优化了旋流排沙渠道的关键体型参数,对比分析了体型优化前后旋流排沙渠道的水沙特性。结果表明,正交数值试验设计能有效提升结构的优化效率,获得具有良好性能的旋流排沙渠道。当渠道来流量为30 L·s^(-1)时,优化体型的排沙耗水量较原体型减小21.5%,分流比减小4.6%,排沙洞出口断面最大流速增大10.8%,水流的挟沙能力增强,在排沙洞内形成更有利于泥沙运动的旋转水流条件;体型优化前后的旋流排沙渠道对粒径为0.075~3.0 mm泥沙的总体截沙率分别高达90%和88%,表明旋流排沙渠道具有良好的排沙特性,且优化体型排沙洞内的泥沙淤积量较原体型减小61.8%。本成果可为这种新型旋流排沙渠道体型优化和其在引水渠道等工程中的应用提供参考。

关键词：旋流排沙渠道正交数值试验方法体型优化分流比水沙特性

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一种新型旋流排沙渠道的试验研究和数值模拟

工程科学与技术 2022年第6期54卷 116-123页

作者：南军虎高欢汪超群马康宁罗涵刘一安李伟兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048

引水时泥沙含量过高会导致一系列工程问题,为解决多泥沙河流引水时的水沙分离问题,常在渠首处设置排沙设施。旋流排沙渠道作为一种渠道排沙新技术,其综合性能和排沙效果是其推广应用的关键所在。本文采用试验研究和数值模拟相结合的方法... 详细信息

引水时泥沙含量过高会导致一系列工程问题,为解决多泥沙河流引水时的水沙分离问题,常在渠首处设置排沙设施。旋流排沙渠道作为一种渠道排沙新技术,其综合性能和排沙效果是其推广应用的关键所在。本文采用试验研究和数值模拟相结合的方法,对旋流排沙渠道内水流的水力特性和排沙特性进行了分析。首先,采用物理模型进行试验,获得相应的水力参数和截沙率;其次,通过试验所得参数验证数值模拟的准确性,其中流速、水面线等参数数值模拟结果与试验值一致,数值模拟能够反映旋流排沙渠道内水流的运动状态;最后,结合模型试验和数值模拟对旋流排沙渠道的水力特性和排沙特性进行综合分析。结果表明:起旋室流态随渠道来流量的增加呈自由流、临界流及淹没流的流态演变序列;在淹没流流态下,排沙洞内能形成有利于泥沙悬浮卷扬的旋转水流,且对引水渠道内的流态影响很小;随着上游渠道水深增加,排沙洞的分流比呈非线性规律减小,在上游渠道内相对水深为0.97时,排沙洞的分流比仅为6.07%;上游渠道内相对水深为0.21时,排沙洞内最大流速较渠道平均流速增大了175%,对粒径为0.075~3.000 mm泥沙的截沙率达93.7%。综上所述,旋流排沙渠道是一种高排沙率、低耗水量的渠道排沙技术,成果有利于丰富引水工程中的水沙分离技术,为解决渠道泥沙淤积问题提供了新思路。

关键词：旋流排沙渠道流态分流比截沙率

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旋流排沙渠道水力特性预测模型适宜性研究

水电能源科学 2022年第9期40卷 142-145,70页

作者：南军虎高欢汪超群马康宁兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048

排沙耗水量和排沙洞内流速是评价旋流排沙渠道性能的重要指标,为预测这两个水力参数,在试验研究和数值模拟的基础上,利用4因素5水平的正交试验设计获得25组样本,分别基于BP神经网络、RBF神经网络和响应面法建立3种预测模型,并对比分析了... 详细信息

排沙耗水量和排沙洞内流速是评价旋流排沙渠道性能的重要指标,为预测这两个水力参数,在试验研究和数值模拟的基础上,利用4因素5水平的正交试验设计获得25组样本,分别基于BP神经网络、RBF神经网络和响应面法建立3种预测模型,并对比分析了这3种预测模型的预测效果。结果表明,BP预测模型决定系数为0.661,预测结果的误差小于5%的比例均值为42%,预测效果较差;RBF、RSM预测模型的决定系数均值分别为0.990、0.993,预测结果的误差小于5%的比例均为92%以上,预测精度较高,可为旋流排沙渠道水力特性的预测提供参考,也可为体型优化时代理模型的选择提供借鉴。

关键词：旋流排沙渠道数值模拟预测模型误差分析

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旋流排沙渠道水沙特性数值模拟

旋流排沙渠道水沙特性数值模拟

作者：马康宁兰州理工大学

学位级别：硕士

随着我国工农业的迅速发展以及人民生活质量的日益提高,水资源短缺问题越来越不容忽视。我国水资源总量丰富,但时空间分布不均匀,且人均水资源占有量较低,往往需要修建大规模调水工程进行水资源分配。然而我国部分河流泥沙含量较高,在... 详细信息

随着我国工农业的迅速发展以及人民生活质量的日益提高,水资源短缺问题越来越不容忽视。我国水资源总量丰富,但时空间分布不均匀,且人均水资源占有量较低,往往需要修建大规模调水工程进行水资源分配。然而我国部分河流泥沙含量较高,在引水的过程中不可避免地会携带大量泥沙,从而导致引水渠道过流能力降低、农田耕地沙化、水力机械磨蚀等问题。旋流排沙渠道是基于旋转水流挟带能力强的特点提出的一种新型渠道水沙分离技术,在水力特性方面已经开展过模型试验与数值模拟并使用RBF代理模型及NSGA-II多目标优化算法针对排沙耗水量及典型断面平均流速进行了体型优化。以此优化体型为研究对象,为了明晰其水沙特性,在试验研究的基础上,采用Realizable k-ε湍流模型、VOF法及离散相模型,对旋流排沙渠道内的水沙两相流特性进行了数值模拟,通过与模型试验成果的对比确定了不同粒径泥沙的球度,研究了持续来沙条件下旋流排沙渠道的排沙效果,分析了渠道和排沙洞内泥沙的运动特征及其泥沙含量分布,探究了旋流排沙渠道在不同渠道坡降、流速、水深及泥沙级配下的排沙特性。结果表明:(1)采用与模型试验相同的渠道顶部加沙方案,在50 m/h流量下进行多组数值模拟并对比水沙模型试验结果,确定(0.075～3.000)mm粒径区间泥沙的球度介于0.2～1.0之间时。此时旋流排沙渠道对粒径为(0.075～3.000)mm泥沙的计算截沙率与试验值吻合良好,二者的相对误差仅为3.5%,且误差主要来源于(0.075～0.160)mm的极细颗粒泥沙粒径,因此选取的数学模型能够实现对旋流排沙渠道内水沙特性的精确模拟。(2)采用渠道水流进口的加沙方案,当上游渠道水流进口来流量为50 m/h,来沙总量为60 g/s时,含沙水流经过排沙洞断面后,渠底泥沙含量由45.6 kg/m迅速降低至0.40 kg/m;排沙洞内的旋转水流对泥沙的挟带作用明显,在强离心作用下泥沙主要分布在排沙洞近壁面,最大泥沙含量约为200 kg/m;在持续来沙条件下旋流排沙渠道对粒径为(0.075～3.000)mm泥沙的截沙率为95.98%,仅少量极细泥沙以悬移质形式进入下游渠道,渠道和排沙洞内无大量的泥沙淤积。(3)相同来流来沙条件下,仅改变渠道底坡时,排沙洞截沙率及内部泥沙运动分布特性变化较小;通过增大进口流速或增大进口水深改变流量时,截沙率存在减小趋势,在水流进口流量及持续来沙量相同的情况下,其截沙率相差较小;流量由50 m/h增大至110 m/h,分流比的降低速率远高于截沙率降低速率,整体截沙率仍可达到86%以上;在相同水力条件下改变泥沙级配,截沙率与大粒径泥沙占比呈正相关关系。不同水力条件及泥沙级配下排沙洞内的泥沙均表现为近壁面处高,洞轴线处低的规律。因此旋流排沙渠道对来流条件及来沙级配要求少,其适用范围较为广泛。上述结果表明旋流排沙渠道在不同水力条件及泥沙级配下具有较好的适宜性,是一种结构简单可靠,能够实现高效且连续排沙的水沙分离技术。本成果可为旋流排沙渠道在工程中的应用和水沙特性的研究提供有益参考。

关键词：旋流排沙渠道水沙特性数值模拟离散相模型截沙率

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旋流排沙渠道水力特性及体型优化

旋流排沙渠道水力特性及体型优化

作者：高欢兰州理工大学

学位级别：硕士

通过渠道引水是解决我国水资源分布不均等问题的重要方式之一,由于我国部分河流的泥沙含量较高,引水必引沙,进而产生水力机械磨蚀、渠道淤积、农田沙化等问题。为实现多泥沙河流引水时的水沙分离,利用旋转水流强挟沙的特性,提出了一种... 详细信息

通过渠道引水是解决我国水资源分布不均等问题的重要方式之一,由于我国部分河流的泥沙含量较高,引水必引沙,进而产生水力机械磨蚀、渠道淤积、农田沙化等问题。为实现多泥沙河流引水时的水沙分离,利用旋转水流强挟沙的特性,提出了一种渠道排沙新技术——旋流排沙渠道,作为一种新型渠道排沙技术,其内部流动规律尚不明确,体型的合理性尚需探讨。为明晰旋流排沙渠道水力特性,提升其综合性能,采用试验和数值模拟相结合的方式,对其流态、分流比、流速特性、压强特性、旋流角、泥沙特性等内容进行了研究,分析了该技术的可行性;结合正交试验设计、代理模型和NSGA-II多目标优化算法,对旋流排沙渠道体型进行了多目标优化,并对优化结果进行验证。主要研究成果如下:(1)试验研究和数值模拟结果表明:流速、水面线等参数数值模拟结果与试验值一致,数值模拟能够反映旋流排沙渠道内水流的运动状态;起旋室流态随渠道来流量的增加呈自由流、临界流及淹没流的流态演变序列;在淹没流流态下排沙洞内能形成有利于泥沙悬浮卷扬的旋转水流,且对引水渠道内的流态影响小;随着上游渠道水深增加,排沙洞的分流比呈非线性规律减小,在上游渠道内水深H/B=0.97时,排沙洞的分流比仅为6.07%;上游渠道内水深H/B=0.21时,排沙洞内最大流速较渠道平均流速增大了175%,对粒径为(0.075～3)mm泥沙的截沙率达93.7%,旋流排沙渠道是一种高排沙率、低耗水量的渠道排沙技术,其排沙效果与体型结构密切相关。(2)在模型试验和数值模拟的基础上,结合正交试验设计,以渠道的4个关键体型参数b、b、h和D作为设计变量,2个关键水力参数Q?和υ作为目标函数,选用BP神经网络、RBF神经网络、响应面模型来拟合设计变量与优化目标之间的关系,并分别对预测精度进行分析,其中BP预测模型决定系数为0.661,预测结果的误差小于5%的比例为42%,预测效果较差,RBF和RSM预测模型的决定系数均值分别为0.990和0.993,预测结果的误差小于5%的比例均为90%以上,预测精度较高,考虑到RBF神经网络泛化能力强,因此选择其作为体型优化时的代理模型。(3)结合RBF代理模型和NSGA-Ⅱ算法,对旋流排沙渠道的体型进行了优化。优化结果表明:在上游来流量为30L/s时,优化体型的排沙耗水量较原体型减小15.4%,排沙洞内断面2上的平均流速较原体型增大18.9%,且流态、湍动能等特性均优于原体型。在上游来流量为14.02L/s时,体型优化前后均具有较高的截沙率,但优化体型的排沙洞内的泥沙淤积量较原体型减小43.4%,从而能够在排沙洞内形成更有利于水流旋转的水力条件。在上游来流量分别为30L/s、60L/s、120L/s时,排沙洞内最大流速分别增加了11.0%、6.1%、6.7%,排沙洞内最大湍动能分别减小了35.7%、41.2%、50.0%,优化体型的旋流角均大于原体型,排沙洞内出现旋流空腔。综上所述,旋流排沙渠道是一种高截沙率低耗水量的新型排沙设施,优化体型进一步提升了其综合性能。研究成果有利于丰富引水工程中的水沙分离技术,可为这种排沙新技术在工程中的设计和应用提供参考。

关键词：旋流排沙渠道流态数值模拟代理模型体型优化