水垫塘三元流态及消能特征的数值和实验研究

采用数值模拟和实验测试相结合的方法对水利工程中高拱坝泄洪水垫塘三元流场进行研究．获得了详细的流态特征，得到了水垫塘三元典型流态概化图．研究了水垫塘消能特性，并据此将塘内水体划分为剪切消能区、撞击消能区和混掺消能区．计算和实验所得的速度场及底板最大冲击动压相比较，二者基本一致．     

激光片光源技术在水垫塘流场显示中的应用

文中研制了一套以激光作片光源的流场显示装置，并对单股和双股射流水垫塘流场进行了可视化研究．流场显示表明：双股射流的水垫塘流动结构可划分为六个区域，比通常的单股射流塘内水流结构增加了股间混掺区和“动水垫”影响区两个流区．分析讨论指出，双股射流入塘后水舌扩散加快和产生动水垫效应是其流态优于单股射流的两个显著特征．本文成果将为以降低塘底动水压强和充分发挥水垫塘消能效率为目标的水垫塘优化设计与计算提供指导和依据     

水闸闸室结构三维样条边界元分析

用三维样边界元法分析水闸闸室结构。底板，闸墩和载水墙等为其子结构，交通桥，工作桥和胸墙等处理为内部支撑。地基和边载可以是任意的，只要能给定地表位移面力关系。在各种工况下，不论是设置平板门还是弧形门，是平底板是反拱底板，即使在稀疏剖分下也能给出高精度的位移场，应力场和地基反力场。     

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm（起爆点位于拱结构正上方和正下方）,通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler (ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明：相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。     

射流冲击水垫塘入射点旋涡掺气特性的研究

通过实验研究了不掺气射流冲击水垫塘入射点旋涡掺气的特性。实验结果表明：空气从射流入射点被卷入后，沿射流剪切层扩散；入射点掺气浓度随水垫深度的减小而增加；剪切层内水气混合体的流速分布具有误差函数形式；在剪切层内、外区，其掺气浓度分别符合高斯分布，与理论计算吻合良好。另外，还从理论上导出了射流入射点附近水气混合层的厚度，并给出了计算掺气量的公式。     

多级板块缝隙中脉动压力传播过程数值研究

基于一维瞬变流模型，对高坝下游水垫塘内多级底板块缝隙层中的脉动压力传播机理进行了数值研究，详细地分析了不同板块缝隙层中脉动压力的变化特征，以便为水垫塘底板块的受力分析提供科学依据．     

拱坝体形优化设计方法及工程应用

本文总结了作者在拱优化方面多年研究与实践的经验，特别是在优化模型的塑造、优化方法的选择和近似重分析技术等方面的成果与体会。对多个拱坝工程的实际应用表明，采有和拱坝优化技术能够提高设计质量、节省大量的工程投资，具有显著的技术经济效益。已对有关算法建立了相应的软件ＡＤＣＡＳ和ＡＤＯＰＴ，性能良好，可供商用。     

索拱组合结构1:1内共振及其参数影响

研究土木工程中索拱组合结构的1:1内共振及其参数影响,可为拱桥施工中振动控制提供依据。利用索拱连接条件和边界条件,忽略索拱纵向振动,考虑索拱的几何非线性,运用Hamilton变分原理研究了拱出现主共振情形下索拱的1:1内共振问题,并建立了索拱的面内耦合非线性振动方程。运用Galerkin和多尺度摄动,以某拱桥施工中的结构为例,研究了索拱相互作用时的能量转换过程,数值模拟分析了索、拱主要参数对索拱幅频响应的影响。研究结果表明:结构体系产生内共振时,索拱的时程曲线呈现此消彼长的现象,能量在索拱之间相互转换,拱对索的振动影响更为明显;索、拱参数对索的非线性振动特性影响显著,对拱的振动影响很小。     

电站进水口快速闸门振动特性研究

电站进水口快速闸门是机组和引水系统一旦发生事故后进行快速应对、控制事态扩大的控流设施.论文研究溪洛渡电站快速闸门水力学及流激振动问题.着重对机组甩负荷时的闸门动水压力作用、门体结构的振动状态及待命高度之间的关系、闸门启闭力等进行了深入研究,取得了快速闸门净动水作用力、水流脉动压力、振动加速度等水力结构参数,论证了设计方案的合理性,提出了安全运行建议.     

含缝拱坝强震失效破坏振动台试验研究

为探究强震时含缝拱坝结构的承载能力及失效路径,在振动台上开展了一系列拱坝模型强震失效破坏试验。基于弹性力-重力准则设计试验,分别进行了不分缝、只有横缝、诱导缝与横缝联合作用这三种情况的振动台模型试验,试验中考虑了材料率相关性的影响,忽略了库水-拱坝相互作用。结果表明,强震作用时由于设缝处的抗拉能力较低,导致缝位置首先发生开裂,拱向应力的传导路径遭到破坏,此后结构破坏以悬臂梁形式为主;科学合理设置缝的形式和位置,可以有效耗散地震能量,提高拱坝极限承载能力。本文研究结果可为高拱坝的抗震分缝设计和超载能力评估提供试验依据。     

水舌空中左右碰撞的水力特性及其作用下的河床基岩冲刷平衡深度估算

应用紊动射流理论和水流动量方程，提出了水舌空中左右碰撞时合水舌的碰撞流速矢量、碰撞消能效率的计算公式。分析和比较了水舌空中左右碰撞与上下碰撞方式下合水舌的碰撞角，碰撞消能效率和其空中扩散方面的差异，提出了水舌空中左右碰撞作用下河床基岩冲刷平衡深度的一种估算方法。以模型实验资料验证，预测值和实测值基本吻合。因此表明，对水舌空中碰撞的水力特性分析是正确的，河床基岩冲刷平衡深度的估算方法是合理可行的。研究成果可为高坝下游消能防冲参考。     

基于离散-连续耦合方法的隧道压力拱特性研究

隧道压力拱问题一直是隧道工程研究的关键问题,目前常用的连续介质数值模拟方法对于隧道压力拱特性的微观研究有所欠缺,而擅长微观力学研究的离散元数值模拟方法对计算机存储空间和计算时间的要求太高。基于现有离散-连续耦合思路,通过力的传递实现离散-连续模型的耦合;研究了耦合算法中的平均应力计算方法、平均应力计算区域面积及耦合程序遍历颗粒方法;基于自行开发优化的离散-连续耦合程序,模拟了隧道开挖后的围岩受力特性,研究了隧道压力拱形成机理及压力拱特性;计算了埋深分别为10 m,14 m,18 m,22 m,26 m,30 m和34 m情况下的隧道开挖产生的压力拱应力集中等效区域,揭示了隧道压力拱随着隧道埋深的变化规律。研究结果表明,自行开发优化的离散-连续耦合程序能在保证计算精度的前提下,充分发挥离散元方法在微观力学研究方面的优势;隧道开挖后,开挖面周边范围出现层状压力环,但在拱顶和仰拱底附近区域的围岩压力环的环间接触力降低,围岩承载能力急剧降低,形成压力拱;随着隧道埋深的增加,隧道压力拱应力集中等效区域减小,隧道周边围岩的压力拱承载能力越来越大;但当隧道埋深达到一定界限后,隧道压力拱高度趋于稳定。     

Hydrodynamics of a bubble formed at vent pipe exit

In this paper, the hydrodynamics of a bubble formed during transient injection of air through a tube submerged in a pool of water has been studied. The experiments were performed by injecting air through vertical tubes varying in diameter from 0.9 to 9.5 cm and located in the middle of a 45 cm dia. and 120 cm high plexiglas chamber. The plexiglas chamber was partly filled with water and was open at the top to the outside. Data for bubble growth and vent line pressure histories are obtained under different upstream pressure conditions. Effect of presence of an orifice in the vent line on bubble growth has also been investigated.A theoretical model describing the bubble growth at the exit of a vent pipe submerged in a pool of water is developed. Predictions of bubble radius, line static pressure and uplift on the bottom of the test chamber have been made and are found to compare well with the data. Insertion of an orifice in the pipe line between the solenoid valve and the vent exit has been found to inhibit the bubble expansion as well as alter the bubble oscillation characteristics.     

SPH方法研究空气在平板入水中的影响

飞机水上迫降以及船体在高速行驶时,均会发生结构物砰击水面的现象,当结构物底面较为平坦,砰击水面时会捕获空气,在板底形成空气垫。研究空气垫的形成及影响,有助于对结构物进行更准确的载荷分析。该问题的研究涉及到气固液三相的相互作用,在数值模拟中仍是一个挑战,本文使用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对该问题进行模拟。首先,与实验结果进行对比;其次,系统地研究了平板形成空气垫以及砰击水面的过程,考查了空气、水和平板的动能变化。对比了在SPH模拟中考虑空气与不考虑空气得到的水压力场和平板所受压力,说明了空气对结果的影响;最后,研究了平板宽度对空气垫形成的影响,从而进一步影响加速度。     

倒三角形截面板管连接式钢圆弧拱在平面内的稳定承载力研究

采用理论推导与数值模拟相结合的方法,对倒三角形截面板管连接式钢圆弧拱在平面内的弹性屈曲和弹塑性屈曲进行了深入研究。首先,理论推导了拱的截面剪切刚度,并提出了拱在全跨均布径向荷载作用下的弹性屈曲公式。此外,还提出了避免连接板和弦杆在拱发生整体弹性失稳之前发生局部失稳的限制条件。然后,分别研究了在全跨均布径向荷载和全跨均布竖向荷载作用下,拱的整体弹塑性失稳机理。结果表明,在全跨均布径向荷载下,拱在1/4跨和3/4跨附近的弦杆会发生屈服,最终发生拱的整体弹塑性失稳。基于数值结果,建立了拱在全跨均布径向荷载作用下的稳定曲线,并针对拱发生整体弹塑性屈曲提出了相应的稳定承载力设计公式。在全跨均布竖向荷载作用下,钢拱发生整体失稳时,在拱脚两端附近的下弦杆会进入屈服。同样地,本文也提出了拱在全跨均布竖向荷载作用下,发生整体弹塑性失稳时的稳定极限承载力设计公式。本文所建议的公式与有限元结果符合得较好,可供实际工程设计参考。     

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS，又称全光纤位移干涉测速技术）和高速摄影技术，研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响，获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比，垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程，导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位，最终低于无垫片区域约0.34 mm，该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂；实验结果还表明，在垫片与间隙交界处两侧（沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°）处各增加了一条裂纹，该断裂模式既不同于环向拉伸断裂，也不同于45°的剪切断裂，而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致，这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明，装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应，还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异，以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。     

Self-oscillation regimes in a liquid jet curtain separating gas regions with different pressures

The results of an experimental investigation of the self-oscillation regimes of liquid jet outflow into a plane channel with air injection in its dead end are presented. The effect of the volume of the cavity, or the air cushion, and its thickness (or channel width) on the flow is studied on a wide range of the gas injection rate and the liquid outflow velocity. The self-oscillation flow regimes are realized at a constant pressure of water in the supply tank and a constant mass flow rate of the air injected into the cushion. With increase in the air injection rate the self-oscillation regime realized at lower injection intensities is replaced by a higher-frequency regime. High-speed videofilming shows that the difference from the low-frequency regime consists in the absence of the direct interaction between the out flowing jet and the channel wall. It is found that in both low-frequency and high-frequency regimes the self-oscillation frequency and amplitude are independent of the cushion thickness but the moment of the regime changeover is determined by this parameter. It is established that there exists a threshold value of the cavity volume, behind which the low-frequency regime does not occur at any air injection rates.     

Three-dimensional computational fluid dynamics (volume of fluid) modelling coupled with a stochastic discrete phase model for the performance analysis of an invert trap experimentally validated using field sewer solids

Invert traps are used to trap sewer solids flowing into a sewer drainage system. The performance of the invert trap in an open rectangular channel was experimentally and numerically analysed using field sewer solids collected from a sewer drain. Experiments showed that the free water surface rises over the central opening (slot) of the invert trap, which reduces the velocity near the slot and allows more sediment to be trapped in comparison with the case for the fixed-lid model (assuming closed conduit flow with a shear-free top wall) used by earlier investigators. This phenomenon cannot be modelled using a closed conduit model as no extra space is provided for the fluctuation of the water surface, whereas this space is provided in the volume of fluid (VOF) model in the form of air space in ANSYS Fluent 14.0 software. Additionally, the zero atmospheric pressure at the free water surface cannot be modelled in a fixed-lid model. In the present study, experimental trap efficiencies of the invert trap using field sewer solids were fairly validated using a three-dimensional computational fluid dynamics model (VOF model) coupled with a stochastic discrete phase model. The flow field (i.e., velocities) predicted by the VOF model were compared with experimental velocities obtained employing particle image velocimetry. The water surface profile above the invert trap predicted by the VOF model was found to be in good agreement with the experimentally measured profile. The present study thus showed that the VOF model can be used with the stochastic discrete phase model to well predict the performance of invert traps.     

软弱地基上拱形围堰的光弹性研究

介绍目前水利水电工程设计中常遇到的软弱地基上拱形围堰的光弹性试验研究.其中包括异弹模组合模型浇制与粘结、水砂压荷载模拟及主要试验成果. 文中分析了在上述荷载作用下拱堰的受力特点和工作状态,探讨了低弹模基础和边界条件不对称性对堰体内力的作用和影响,提出了进一步改善应力和稳定条件的途径和措施.