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U形渠道三角剖面堰水力特性的数值模拟

更新时间:2009-03-28

基于目前建设现代化节水灌区的急切需求以及科学技术的高速发展,灌区的量水措施作为灌区实现科学管理的基础越来越受关注。国内外众多学者在渠道量水方面做了很多相关的研究,各类渠道不同形式的量水槽、量水堰已达百余种[1]。U形渠道因其断面结构合理,过流稳定,防淤能力强,防渗效果好而成为灌区常见的渠道形式之一[2],不同形式的量水设施也有很多种。尚民勇研制了长喉道量水槽和平底抛物线形量水槽[3],并对该量水槽的结构、特性、流量计算等作了阐述。张志昌研究了直臂式量水槽[4],通过大量试验研究得出了该体型参数、水流流态等。何武全基于前人圆柱体量水槽测流原理的分析得出了圆柱体量水槽流量理论计算公式[5]。吕宏兴提出机翼形量水槽[6],并通过系统试验得出指数形式的流量计算公式。三角剖面堰也因结构简单,施工方便,过水性能好,量水精度较高而被广泛应用。邢光华,段小五[7]以交口抽渭灌区斗分渠的混凝土U形衬砌渠道为研究对象探讨了三角剖面堰的应用及其优点,表明U形渠三角剖面堰道完全可以满足灌区量水的要求,并认为三角剖面堰是一种理想的量水堰。王军,李永业[8]等以D50型U形渠道为例研究一套三角形、平顶形、复合形组合而成的便捷式测流装置,对不同工况下的流速、水位进行了分析,得出三角型堰适用于小量程测流,平顶堰适用于大量程测流,复合型测流装置的测流量程最大。

采用数值模拟探究量水设施的适用性比较方便快捷、准确度高,李佳佳[9]利用数值模拟的方法探究了U形渠道无喉道量水槽的流动规律,模拟精度较高,水面线模拟情况较为理想。本文采用流体力学软件FLUENT6.3,基于连续性方程,动量方程等基本方程,以小型U形渠三角剖面堰为研究对象,应用VOF方法和RNG 模型,采用有限体积法对控制方程进行离散,对离散方程组的压力速度耦合采用瞬态PISO算法求解,探究不同工况下的水位流速分布,以及不同堰高下的水位流速变化,为灌区用水配水提供科学依据,促进灌区的科学化管理。

Introduction of natural ingredients in cometics (V) 7 51

1 几何建模

1.1 模型建立与网格划分

为充分研究和模拟U形渠道的水流流态,渠道参数设置如下:U形渠道长17 m,渠道底坡比降为1∶1 000,将量水堰设在离进口10 m处以保证堰附近流态稳定。U形渠道深0.5 m,渠顶宽为0.6 m,渠底圆弧半径为0.25 m,圆心角163°[8]。三角剖面堰上游坡度为1∶2,下游坡度1∶5,堰高0.20 m。渠道顺水流方向为x轴正方向,渠宽沿y轴关于坐标原点对称,渠深由渠底到渠顶为z轴正方向。利用AUTOCAD和GAMBIT建立U形渠道三角剖面堰的三维模型如图1所示。

  

图1 U形渠道三角剖面堰三维模型Fig.1 Three dimensional model of U channel triangular profile weir

在数值模拟中网格的划分往往对计算结果,计算精度和模拟质量起着重要的作用。网格主要有结构化网格和非结构化网格,由于非结构化网格的网格单元和节点没有固定规律,生成过程虽然复杂,但适应性较好,尤其适用于解决具有复杂边界的流场问题[10]。由于U形渠道三角剖面堰的不规则形状,本文采用非结构化网格进行划分,其中三角剖面堰及其上游下游各1.5 m处采用局部加密网格处理,单元格尺寸为5 cm×5 cm×5 cm,渠道上下游段采用9cm×9cm×9cm的单元划分。网格总数约为77 998个。网格划分结果如图2所示。

  

图2 模型网格划分Fig.2 Mesh model

1.2 边界定义及初始条件设置

渠道入口分为上部空气和下部水入口,边界定义时将上部空气入口定义为压强进口(PRESSURE INLET),下部水入口定义为速度入口(VELOCITY INLET),出口定义为压强出口(PRESSURE OUTLET) [11-12],渠道整个底部及边壁定义为固体边壁。给定无滑移边界条件,对黏性底层采用壁面函数来处理。整个初始流场中充满气体,利用瞬态时间模拟,水流从入口到出口,通过VOF迭代求解,自动生成水气交界面,在每个单元中水和气体积分数为1,也即:aw+aa=1。awaa分别表示计算域中水的体积分数和气体体积分数。

2 数学模型及计算方法

2.1 基本控制方程

连续方程:

η0=4.377, β=0.012

 

动量方程:

 

k方程:

 

ε方程:

 
 

由图6可以看出堰高对水位影响较大,尤其是在量水堰处,堰高越大水位变化越大,当堰高P为0.1 m时,堰前和堰后水位基本相等,在量水堰处有较小的水位降。堰高为0.15~0.25 m时堰前和堰后水位均保持稳定,且堰前水位高于堰后水位。当堰高为0.30 m时量水堰处水位变化较大,堰前壅水较高,且堰后水位略有紊动现象。

本文选用RNG k-ε模型,该模型是对标准k-ε模型的改进,对k-ε方程进行了修正,在源项中加入了一个系数来反映主流时均应变率[14]k-ε模型运输方程分别为:

总结一下,去除果蔬农残的三板斧就是:清洗、去皮、烹饪。如果依然担心,使吃的果蔬尽量多样化也会有帮助。不同的果蔬使用的农药不同,多样化的选择也就可以减少每种农药的摄入量。因为这些不同的农药不见得会产生累加危害,这样也就有助于减少“万一存在”的风险。此外,需要注意的是,并不是所有的蔬菜水果都含有“大量”残留农药或者污染物。规范使用的农药,在成品果蔬上的残留并不会达到危害健康的地步。

 

[4] 张志昌,张宗孝,闫晋垣,等.一种新型的量水设备-U形渠道直臂式量水槽[J].陕西机械学院学报,1992,8(1):44-52.

 

式中:Cμ为经验常数,Cμ=0.04 5;C1εC2εε方程常数,C1ε=1.42,C2ε=1.68[13]

2.2 湍流模型

2)临大堤坡脚一侧,燃气、电力等管线的井盖标高,需要高于计算的堤防盖重标高,而这些井盖通常位于人行道上,与道路设计标高基本一致,因此,道路标高在规划阶段就应该考虑此因素,若规划标高低于此标高,建议在设计阶段进行调高。

 
 

式中:

“深港通”的启动加强了两地的溢出效应,这可能是因为内地股市具有高风险性,而港市信息透明度高、政府管制较小的特点更能吸引投资者,会引起资本南下,成为投资者防范金融风险的手段。综上来看,两地股市从第一阶段互不影响到政策启动后深市对香港股市的单向格兰杰因果关系,表明内地股市开放程度不断加深,受香港股市的引导力逐渐变弱,而其对香港股市的影响越来越强,反映出内地股市存在较强的引领潜力。

遥控控制原理图见图4,遥控控制模块在采集车钟电流、控制指令(正倒车启动、停车等)、安保输出和主机转速等信号之后,首先根据主机的运行状态进行内部控制逻辑处理,然后向电喷控制系统中的LCU和DCU发送指令,最后由DCU通过各缸的CCU驱动各电磁阀件完成对主机的控制。

μeff=μt+μ

 

Cμ=0.084 5, αk=αε=1.39

现有的研究证实影响研究生培养质量的一个重要因素便是导师的因素,研究生导师素质对研究生的发展有着不可忽视的作用,导师作为直接教导、引领研究生的角色,其工作开展的好坏,影响力发挥的范围及程度直接影响研究生个体发展以及研究生整体质量[13]。然而,并非导师的所有特质都会对研究生培养质量产生显著影响,研究显示,导师职称、年龄等就与研究生培养质量无显著的相关性,但与导师的指导方式、指导频率、指导内容以及指导关系确立之间存在显著相关[14]。由以上的研究结果可以看出,导师对于研究生的影响是基础的、根本的影响,导师的角色功能决定了研究生的知识储备、研究视野、科研洞察力和敏感性,基于此,本文提出以下假设。

 

[1] 王莹莹,王文娥,胡笑涛.矩形渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验研究[J].中国农村水利水电,2016,(9):224-228.

 
 

洪泽湖设计最低通航水位为11.50 m,设计最高通航水位为:洪山头至老子山段为15.50 m,老子山至高良涧段为15.0m。当湖水位低于设计最低通航水位时,需要采取小船队或减载等措施。

2.3 壁面函数

定义无量纲参数μ+y+,分别表示速度和距离:

 
 

式中:μ是流体的时均速度;μτ是壁面摩擦速度为壁面切应力;Δy是到壁面的距离。

2.4 解算方法

采用隐式定常计算模式,有限体积法对控制方程进行离散,对离散方程组的压力速度耦合采用瞬态PISO算法求解。设置出口质量流量( Mass Flow Rate)进行监测,当其值接近于0且基本保持不变,或者各变量残差值小于0.01时,认为计算收敛[15]

通过使用超级计算机或网络计算机进行并行操作,这个计算量在合理的时间内还是可以接受的(Miao et al,2010;Durham and Geweke 2013)。然而在本文中,我们提出了一个简单试探法来跟踪多个地震。这个试探法的复杂性与事件数目呈线性关系。

3 数值模拟结果与分析

3.1 模型验证

选取上游有效水深,运用谢才公式计算出相应的流量,根据流量计算出相应的入口速度,模拟得出水面线,读取模拟水深,并运用堰流公式计算出模拟水深对应的模拟流量,将选取有效的水深与模拟得到的模拟水深相比较,设计流量与模拟流量对比。本文选取有效水深为0.38、0.36、0.34、0.32、0.30、0.28 m,模拟结果见表1。

 

表1 模拟流量水位误差表Tab.1 Error of discharge and water level

  

设计流量/(m3·s-1)模拟流量/(m3·s-1)流量相对误差/%设计水深/m模拟水深/m水深相对误差/%0.109660.109470.170.380.405.260.100600.100420.180.360.385.560.091760.091600.170.340.378.820.083160.082850.370.320.346.250.074790.074650.190.300.326.670.066660.066540.180.280.273.57平均相对误差0.21平均相对误差6.02

通过表1可以得出流量的平均相对误差为0.21%,最大相对误差为0.37%,水深的模拟平均误差为6.02%,最大相对误差为8.82%,流量和水位的模拟值与实际值较接近,表明模拟准确可靠。由于水流流经堰时过水断面突然减小,水面变化强烈,水位的误差较流量的误差要大,但仍然接近于实际值。

3.2 水位变化

选取不同工况进行水位变化探究,并做y=0的切片处理,得到水位变化图。如图3所示,蓝色代表水流,红色代表空气,中间色即为水气相的交界面。观察发现在渠道进口处水位基本保持水平不变,流经堰时由于堰的垂向收缩影响水位有明显的跌落,继而慢慢恢复,但仍然较堰前水位低很多。

  

图3 不同工况的水位变化图Fig.3 The water level under different conditions

3.3 流速分布

选取不同工况进行流速分布探究,可得流速分布如图4所示,可以看出在渠道进口处流速均匀,基本保持稳定不变;在堰后一定距离流速有明显的增大,随后慢慢又趋于稳定。这是由于流量一定的条件下,堰上游过水断面保持不变,则流速基本保持稳定;相应的在量水堰及堰后过水断面小于堰前过水断面,并且产生局部水头损失,水流势能减小动能增大,流速明显增大。水流流经堰顶时,由于惯性作用流速在一定距离后达到最大,此时过水断面收缩程度也最大。在量水堰下游水流恢复平稳,流速分布均匀。

  

图4 不同工况的流速分布图Fig.4 The velocity distribution in different conditions

3.4 流量水位关系曲线

将设计流量水位曲线与模拟流量水位曲线绘制在同一坐标中,如图5所示。可以看到设计流量水位曲线与模拟流量水位曲线的变化趋势基本相同,趋势线函数都为指数函数,且两曲线基本靠近,表明两者具有统一的水位流量关系。

  

图5 水位流量关系曲线Fig.5 The water flow rate curve

3.5 不同堰高下的水位流速分布

在相同水位流量工况下选取不同堰高进行模拟,在此选取0.1,0.15,0.2,0.25,0.3 m的堰高。观察堰高对水位变化及流速分布的影响。可得不同堰高对水位的影响如图6所示,对流速的影响如图7所示。

对脆弱性指数用欧式距离聚类聚成3类,如果这个国家所得的V大于0.9,则这个国家的状态为非常脆弱;如果这个国家所得V在之间,则这个国家的状态为脆弱;如果这个国家所得V值小于0.6,则这个国家的状态为稳定。

  

图6 不同堰高的水位分布Fig.6 The water level distribution of different weir height

  

图7 不同堰高的流速分布Fig.7 Velocity distribution of different weir height

式中:uixi分别为速度分量和坐标分量;t为时间;ρμ为密度和分子运动黏滞系数;P为修正压力;Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,可由下式确定:

由图7可以看到堰高对流速分布的影响很大,堰高越大流速变化越剧烈,流速的变化主要体现在堰后段,堰高为0.1 m时,堰前后流速较小且保持稳定。堰高为0.15~0.25 m时,随着堰高的增大堰后的流速急剧增大。当堰高为0.3 m时,堰后流速变化最大,且影响范围也增大。而且在堰后随着堰高变大同一断面流速的也增大。

4 结 语

(1)对小型U形渠道三角剖面堰进行数值模拟,利用计算流体力学软件计算,经过上述模拟流量水位与实际模拟流量水位的对比,发现模拟值的相对误差较小,两者比较接近,表明可以使用Fluent6.3快速可靠地模拟其水流状况。

从二维码的产生和客户扫码方式的不同,我们基本上可以把移动扫码方式分为两种, 一种是当客户想要购买某种商品时,触发商家后台服务器连接操作,商家后台服务器通知支付宝支付后台,由支付宝后台产生该商品二维码返回给无人售货机远程服务器,也就是商家后台,再由商家后台发送订单二维码给远程无人售货机显示输出。用户扫码读取订单信息完成支付后,支付宝支付后台确定用户已支付信息发给客户,同时异步通知支付结果结商家后台服务器。商家后台服务器完成相应开关信息传送[2]。大致情况如图1所示。

(2)上述模拟结果表明,堰前过水断面一定,水位基本不变,量水堰及其后由于过水断面的减小使水位出现降落,但基本保持平稳。初速度一定时堰前过水断面不变,流速不变,量水堰处由于过水断面缩窄,流速突然增大。

(3)通过比较模拟水位流量关系曲线与实际水位流量关系曲线,可以发现曲线具有相同的趋势,都符合指数函数关系,两条趋势线比较靠近,表明两者具有统一的水位流量关系。

(4)在相同水位流量工况下进行不同堰高的模拟,发现堰高对水位影响较大,尤其是在量水堰处,堰高越大水位变化越大。对流速分布的影响很大,堰高越大流速变化越剧烈。

参考文献

C1ε=1,.42, C2ε=1.68

也不怪他疑心。刚才讲价钱的时候太爽快了也是一个原因。她匆匆下楼,那店员见她也下来了,顿了顿没说什么。她在门口却听见里面楼上楼下喊话。

[2] 孙 斌,吕宏兴,张宽地,等.U形渠道机翼形量水槽水跃数值模拟与试验研究[J].实验流体力学,2013,27(1):65-71.

[3] 尚民勇.U形长喉道量水槽的实验研究及其应用[J].陕西水利,1991,(3):41-44

式中:μt为紊流黏滞系数,可由紊动动能k和紊动耗散率ε求出:

[5] 何武全,王玉宝,蔡明科.U形渠道圆柱体量水槽研究[J].水利学报,2006,37(5):573-577.

1.2.3 使用弹力袜。弹力袜通过在腿部产生梯度压力,可促进下肢静脉血回流,降低DVT的发生。需在术前根据患者腿部测量数据选择合适型号的弹力袜,持续穿至手术结束,

[6] 吕宏兴,刘焕芳,朱晓群,等.机翼形量水槽的试验研究[J].农业工程学报,2006,22(9):119-123.

[7] 邢光华,段小五. 三角剖面堰在U形渠道的应用[J].陕西水利,1989:28-31.

[8] 王 军,李永业,孙西欢. D50型U渠专用测流堰的结构设计及性能研究[J].江苏农业科学,2016,44(10):410-413.

综上所述,对于早期急性心肌梗死患者实施静脉溶栓治疗能够获得显著的临床疗效,从而降低其不良反应发生率和死亡率,且静脉溶栓治疗的时间会对患者的血管再通产生密切影响,静脉溶栓时间越早患者的血管再通成功率也越高,因此,笔者建议对急性心肌梗死患者需在其发病早期及时给予静脉溶栓治疗。

[9] 李佳佳,U型渠道无喉道量水槽流动规律数值模拟[J].水利科技与经济,2016,22(8):41-44.

[10] 杨佩佩,弧角梯形无喉道量水槽的数值模拟与体型优化研究[D].陕西杨凌:西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2016:16.

[11] 王瑞金,张 凯,王 刚.U形渠道适宜量水设施及标准化研究[J]. 灌溉排水学报, 2005,23(2):38-41..

[12] 吴景社,朱风书,康绍忠,等.Fluent技术基础与应用实例[M]. 北京:清华大学出版社, 2007.

[13] 郝晶晶. U形渠道抛物线形量水槽的数值模拟研究[D]. 陕西杨凌:西北农林科技大学,2008:22-23.

[14] 钟新铭,弧底梯形无喉道量水槽的数值模拟研究[D]. 陕西杨凌:西北农林科技大学,2016:11-12.

[15] 刘树红,吴玉林.应用流体力学[M].北京: 清华大学出版社,2006.

 
柳双环,马孝义,陈超飞
《节水灌溉》 2018年第04期
《节水灌溉》2018年第04期文献

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