人工粗糙壁面的水跃特性研究

根据已有文献对密排加糙壁面水跃共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度的试验结果,分析了密排加糙壁面水跃的共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度、壁面平均切应力随弗劳德数、跃前和跃后断面水深、壁面粗糙度的变化规律;给出了人工粗糙壁面水跃共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度、壁面阻力系数、壁面平均切应力的计算公式;通过已有文献的试验结果对公式进行了验证,得到了水跃共轭水深的平均误差为4.06%,水跃旋滚长度和水跃长度的平均误差分别为4.25%和7.16%。研究表明:人工粗糙壁面水跃的共轭水深和水跃长度随着跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着壁面粗糙度的增大而减小;壁面平均切应力随着壁面粗糙度和跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着共轭水深比的增大而减小。     

明渠六圆弧蛋形断面水面线的近似计算

根据蛋形断面的几何参数,计算了水深处于不同位置时的断面面积、湿周、水力半径;根据最小二乘法原理,拟合了相对面积21A/r、相对湿周1χ/r、相对水力半径1R/r、参数j′、Fr′2与相对水深1h/r的近似关系;在此基础上根据明渠水面线的一般计算公式给出了分段试算法和积分法两种近似计算六圆弧蛋形断面水面线的方法,其中积分法为显函数关系式。由算例结果可以看出,与分段试算法相比,积分法可以直接计算水平线,更方便;采用两种方法所得结果的最大相差程度为1.44%,精度完全满足工程设计要求。     

矩形平底渠道淹没水跃区的水头损失

研究了矩形平底明渠淹没水跃区的水头损失。根据Rajaratnam对淹没水跃区的流速分布、壁面切应力、最大流速的试验成果和Verhoff附壁射流区断面流速分布的计算公式,应用紊流边界层理论研究了淹没水跃区的边界层发展和沿程水头损失的计算方法。根据动量方程和能量方程研究了淹没水跃区的跃前断面水深、总水头损失、局部水头损失、消能率的计算方法。给出了淹没水跃区最大流速、紊流边界层厚度、沿程水头损失、总水头损失、局部水头损失、局部阻力系数、消能率的计算方法。研究表明:淹没水跃区的总水头损失是跃前断面弗劳德数、跃前水深和淹没度的函数,沿程水头损失和局部水头损失与跃前断面流速、水深、水跃长度、跃前断面的特征雷诺数和消力池宽度有关。淹没水跃区的水头损失主要是局部水头损失,消能率随着弗劳德数的增加而增加。     

突然扩散水跃方程的近似解

突然对称扩散水跃被广泛地应用于实际工程。本文研究了突然扩散水跃方程及它的近似解特性,应用动量守恒原理推导了突然扩散水跃共轭水深关系式。通过级数展开处理,获得了突然扩散水跃方程的近似解,给出了确定有关参数的经验公式。不同突扩比时突然扩散水跃方程的近似解与实验结果的平均误差为5.642%,可见与实验结果吻合较好。另外,将近似解应用到矩形渠槽的水跃,结果说明与实验的平均误差为1.943%。在稳定水跃范围内,与矩形明渠水跃典型理论解的最大误差为1.2%。近似解能很好地与理论解及实验一致,这说明水跃方程近似解具有较高的精度,是可靠的。本文近似解可以应用到计算工程问题。     

波状床面综合式消力池的水力计算

分析了综合式消力池在消力坎计算中存在的问题,提出了计算消力坎高度和消力池深度总高度的估算方法。根据文献[6-7]对波状床面水跃共轭水深和水跃长度的研究成果以及综合式消力池的一般计算方法,给出了波状床面综合式消力池跃前水深的显式计算公式、跃后水深的迭代计算公式。在文献[11]对消力坎淹没系数研究的基础上,对于淹没度,在0.45≤h_s/H_(10)≤0.92范围内重新给出了精度更高的计算淹没系数的公式。通过算例给出了波状床面综合式消力池的水力计算过程和计算步骤,推荐在综合式消力池的水力计算中,先假设消力池的深度,再计算消力坎高度的简单计算方法。通过对比分析可以看出,波状床面综合式消力池与普通综合式消力池相比较,可以大幅度地减小消力池深度、消力坎高度、跃后水深和消力池长度,提高了消能效果,是一种值得推荐和研究的消力池形式。     

密排加糙床面消力池水跃旋滚长度的计算

为了计算水跃旋滚长度这一重要特征尺度,本文通过追踪水跃区水体质点的运动方程,研究了密排加糙床面消力池水跃旋滚长度的变化规律.结果表明:水跃旋滚长度与跃高相关;相对加速度并不是一个常数,而是与跃前断面弗劳德数、跃前和跃后断面平均水深、床面粗糙高度相关的函数.最后通过与已有密排加糙床面实验工况的结果进行对比,验证了本文旋滚...     

自由水跃区壁面阻力的研究

根据已有文献对附壁射流区流速分布和壁面阻力的试验成果,分析了自由水跃区断面流速分布和最大流速沿程分布规律;首次根据边界层的动量积分方程分析了水跃主体段的射流厚度、水跃区的壁面切应力系数、壁面阻力系数的变化规律;给出了边界层厚度、壁面局部阻力系数、壁面阻力系数、平均壁面阻力系数的计算方法,并将计算结果与已有文献的试验资料进行了比较。结果表明:由本文式(9)和式(26)得到的数据与文献中的试验数据吻合较好;在Fr1≥5.45时,式(29)的计算结果与试验较吻合,在Fr1?5.45时,其计算结果与试验偏差较大;采用本文公式(34)计算水跃的共轭水深,与文献所得结果的最大误差为3.643%。     

梯形断面明渠丁坝绕流水力特性三维数值模拟

采用两相流混合模型,并选取RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对梯型断面明渠非淹没式丁坝绕流水力特性进行了三维数值模拟。采用有限体积法离散计算区域,求解速度与压力耦合方程组时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面时采用了VOF(Volume of Fluid)法。对丁坝后不同的回流长度进行了分析比较,并将模拟结果与实测资料进行了对比验证,结果表明两者吻合较好,相对误差小于8%,说明该模型能够很好地模拟明渠丁坝绕流的水力特性分布规律。     

综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件研究

综合式消力池第三种设计方法为常用设计方法,但在下游水深较大、弗劳德数较小时计算的消力坎高度较大,甚至出现消力坎高度远大于下游水深且消力池深度出现负值的不合理现象。分析综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件对于工程设计具有重要的指导意义。根据综合式消力池的消力坎后可能发生的水跃现象,分析常用设计方法出现问题的原因,主要是假设消力坎后发生临界水跃与实际水流条件不符。常用设计方法应用的条件为消力坎后下游河床的水流弗劳德数Fr_t大于某一临界弗劳德数Fr_c、或下游水深h_th_k/Fr_c~(2/3),给出了消力坎流速系数ф=0.75~0.98时临界弗劳德数Fr_c的计算公式。探讨了消力坎的极限高度和最小坎高,消力坎的极限高度等于下游水深;给出了最小坎高的计算公式。通过与其它三种计算方法的比较,表明在符合综合式消力池应用条件的情况下,常用设计方法得出的计算结果与其它方法一样具有可靠性。     

面元法求解有限水深船舶兴波及水底压力变化

应用势流理论中的格林函数方法计算了船舶定常运动的水动力参数,将有限水深Kelvin移动兴波源格林函数分解成三部分:简单Rankine源集合、局部扰动项和波函数项。在亚临界和超临界航速时,采用不同的积分顺序来消除被积函数的奇异性。利用面元法在船体表面上分布Kelvin源,计算了有限水深下船体表面的源强、压力分布及表面兴波,比较了有限与无限水深结果的区别和联系,进一步求解了船舶航行时引起的水底压力变化,计算结果与实验测量结果吻合良好。     

不同交汇角度明渠交汇口三维水力特性的大涡模拟研究

采用气液两相流混合模型对不同交汇角度下等宽明渠交汇口三维水力特性进行了数值模拟研究。选取大涡模型(Large Eddy Model)封闭两相流时均方程,求解速度与压力耦合方程组时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法。将交汇角度为90°时采用大涡模型计算得到的纵向截面水面线和不同测线上的速度分布与文献中的试验结果相比较,两者吻合良好,且水面线高度误差在4.2%以内,由此可见大涡模型是模拟交汇口水力特性的有效方法。进而将大涡模型用于模拟交汇角度为30°、45°、60°的交汇口水流,得到交汇口处的水深变化及流场的分布规律,并定量分析了交汇口下游各横断面流速不均匀系数的分布规律。结果表明:在整体上交汇角度越大,交汇口各特征横断面流速不均匀系数越大,即水流流速分布越不均匀。     

台阶式溢洪道滑行水流水面线和消能效果的试验研究

通过模型试验研究了台阶式溢洪道滑行水流的流态、水面线和消能效果。试验得出,台阶式溢洪道的水流流态分为台阶内部的旋滚流态和虚拟底板以上主流区的流态。台阶式溢洪道水面线的变化与来流量、台阶尺寸和掺气浓度有关。当水流进入台阶段时,水面由于失重有一定的降低,然后逐渐抬高至某一高度后再略有降低;在掺气发生点以前,水面线沿程降低,掺气发生点以后,水面线沿程升高;当水流掺气饱和时,水深沿程不再变化,为明渠均匀流。台阶式溢洪道的消能率是逐级台阶的累积效应。水流通过与台阶之间的碰撞、台阶上的水流漩滚以及水流内部的紊动剪切强化了溢洪道的消能效果。在试验范围内,台阶式溢洪道与光滑溢洪道比较,消能率可以提高40% ~70%。通过试验,得出了台阶式溢洪道滑行水流水面线和消能率的计算方法。     

90°弯道明渠横向环流的大涡模拟研究

采用气液两相流大涡模型模拟90°弯道明渠水流的水力特性。使用有限体积法对控制方程进行离散;使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解速度与压力的耦合;采用了VOF(Volume of Fluid)法模拟自由水面。通过计算得到弯道处流速、压强系数、横向环流强度等水力参数的分布规律。分别比较弯道纵向流速与横向流速的模拟值与实验值,二者吻合较好。通过分析弯道环流的流态特征得出:因受重力作用与水流在流经弯道时发生的离心现象的影响,凸岸附近较凹岸存在较大的二次流强度的结果;凸岸与凹岸压强系数均沿程增大,当达到弯顶时,水面横比降达到最大值;弯道横向环流强度随弯道角度增大而逐渐增大,其最大值出现在明渠底部。     

WES溢流坝水面线的简化计算

WES溢流坝是水利工程中最常用的坝面形式之一,研究坝面水面线的简化计算对于工程设计具有重要意义。根据前人对WES溢流坝水面线的试验研究成果,通过计算机作图、利用能量方程和动量方程,研究了溢流坝曲线段、陡坡段和反弧段水面线的简化计算方法和WES曲线弧长的计算方法。提出了坝面曲线段和反弧段水面线的计算公式、溢流陡坡面水面线的显式计算公式、WES溢流坝曲线段曲线长度的计算公式。通过模型试验和前人实测资料对所提出的公式进行验证,结果表明,本文所提公式计算简单,WES曲线段最大误差为7.3191%、陡坡段最大误差为2.8363%、反弧段最大误差为3.6974%。     

时域Rankine源法求解有限水深船舶在规则波中的水底压力变化

应用势流理论中的Rankine源面元法和时域步进法,求解了有限水深船舶在规则波中运动的水底压力变化。将速度势分解成基本势、局部势和记忆势,以叠模解作为基本势对自由表面条件和物面条件进行了线性化,通过在水底布置面元来满足水底条件。利用研制的水底压力-水面波浪测量系统,测量了不同入射波船模表面波形与水底压力的时历曲线,理论计算与实验结果符合较好,验证了自编程序的正确性。通过对比二者的等高线图发现,水底压力与表面波形的峰谷有较好的一致性,并且压力较波形更为平滑。     

基于数字散斑相关法的紧凑拉伸试样断裂韧性实验研究

本文采用数字散斑相关方法对2A12T4铝合金紧凑拉伸试样的断裂韧性进行了实验研究。应用数字散斑相关方法计算了实验过程中试样的应变场、应力场以及位移场。针对实验所得的结果以及紧凑拉伸试样的裂纹特征,采用了矩形积分路径。选择沿裂纹方向和垂直裂纹方向的J积分路径,并且推导出各方向上J积分的数值计算公式。根据推导得到的公式选择不同的积分路径进行J积分的计算,得到了断裂韧性J0积分路径的合理选择范围,同时验证了J积分的路径守恒性。然后根据所得的路径选择标准,选择合理的积分路径,计算出2A12T4铝合金断裂韧性J0的值。将所得结果与国标计算的J0值对比,误差为1.22%,说明了此种方法的正确性。从而为数字散斑相关方法在紧凑拉伸试样断裂韧性的测试研究中提供参考。     

薄壁弯曲结构有限元计算精度研究

基于h-p型有限元精度计算法,以薄壁弯曲结构为研究对象,系统地介绍了实体单元常见的分类方法及优缺点;通过理论公式推导了薄壁弯曲结构发生弹性和弹塑性变形时的位移和应力理论解;采用有限元法计算数值解,研究了影响有限元计算精度的因素和规律,并用算例证实了研究结果的合理性。研究结果表明:当单元类型、积分方式、阶次、长高比相同时,只有1层实体单元情况下得到的计算误差总是大于多层单元;只要严格控制单元长高比为1左右,单元层数不小于4层,采用一阶全积分六面体单元就可以控制位移及应力误差在5%以内;当采用一阶减缩积分六面体单元,只需2层单元就可以控制弹性位移误差在1%左右,但此时应力误差达30%以上,对于塑性变形,单元层数达6层时其位移误差仍达8%以上;对于二阶六面体及二阶四面体单元,只需2层单元,且不需严格控制单元长高比为1左右就可以使位移及应力计算误差在5%以内。     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明:对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

一种模拟动边界绕流的锐利界面浸入边界法

为避免复杂贴体网格的更新和畸形对动边界流场计算效率、精度的影响,以充分掌握结构场的受力特性,采用一种改进的锐利界面（sharp-interface）浸入边界法模拟具有动边界绕流的流动问题。该方法将计算域中的固体视为流体,固体边界离散为若干个拉格朗日网格点,通过在界面单元处插值重构流动参数（速度）,将其直接作为流动求解器的边界条件,由此来反映固体边界的影响。即通过构造“虚拟点—受力点—垂足点”的计算结构,借助双线性插值得到虚拟点的速度,再通过强制满足固体边界的无滑移条件计算出受力点的速度,以此为边界条件,最终求解基于浸入边界法的耦合系统方程,实现复杂动边界的流动数值模拟。采用C++编写该浸入边界法的数值程序,以单圆柱绕流为验证算例,通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和可靠性。在此基础上,对主动运动椭圆柱绕流问题进行了精细计算,探讨了不同轴长比(A_R)、不同攻角($ \theta $)下的椭圆柱对尾涡结构分布特征和水力不稳定现象的影响。捕捉到了反对称S型、“P+S” Ⅰ型、“P+S” Ⅱ型尾涡脱落模态,漩涡强度、涡脱频率和升阻比随A_R和$ \theta $的变化规律,以及确定了升阻比临界攻角(25°)。

     

配有斜筋混凝土梁抗剪承载力计算与试验

以剪压破坏时配有斜筋的混凝土梁为研究对象,考虑临界斜裂缝处各钢筋拉应力和剪应力的影响,基于极限平衡理论和复合应力状态下混凝土的强度准则,建立了极限抗剪承载力的计算公式。对配有斜筋混凝土梁进行的试验研究发现,理论值与试验值的误差不超过5%。研究表明:箍筋与纵筋、斜筋与纵筋的相对配筋率以及剪跨比对临界斜裂缝顶端混凝土受压区的高度影响较为显著,进而影响抗剪承载力;临界斜裂缝顶端混凝土在复合应力状态下发生破坏,竖向压应力的作用不应忽略;斜筋和箍筋的剪应力对极限抗剪承载力影响较小,计算中可不予考虑。