基于CFD的自动计量平板闸门流动特性研究

发布时间：2017-08-07 16:02

  本文关键词：基于CFD的自动计量平板闸门流动特性研究

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【摘要】：我国农业水利用效率不及发达国家的一半,计量灌溉是我国渠灌区农业发展的趋势,其关键是开发具有自动计量功能的平板闸门系统。水位、流速、压力是影响闸门计量精度的主要因素,研究明渠平板闸门闸前和闸后水位、流速和压力的分布及变化规律,对合理选择计量闸门传感器安装位置、完善闸门前后明渠结构,从而提高闸门系统计量精度,具有重要的理论指导意义。 本文针对现行闸门采用的角钢框式和槽铝框式两种安装方式,应用Fluent软件对明渠闸孔出流的流动进行仿真模拟。 角钢框式安装时,根据不同的水流和开度条件,设计了35种工况。采用基于压力的求解器求解离散化的控制方程,利用标准k-ε模型处理湍流问题、利用VOF方法处理自由液面的问题,得到了水面线分布、速度和压力分布。结果表明：闸门前后流场的稳定区间分别为闸前1.5m-2m、闸后6.4m-7m；当闸门开度为0.3m、0.4m、0.5m时,‘流动容易达到稳定；当闸前初始水位高于0.8m时,应避免开度小于0.3m,使出流充分,以保证安全作业。为降低下游流速、提高流场的稳定性,对明渠结构进行改进,将明渠收缩段的长度缩短至1.01m,选取流场稳定性较差的9种工况进行仿真验证,发现改进后流场的稳定性更好,水流速度降低了0.6m/s-0.8m/s,流动的稳定区间增加了1m-1.5m,有利于传感器的准确测量,证明了明渠改进的合理性、有效性。 槽铝框式安装时,借鉴了角钢框式安装时流动稳定的相关结论,设计了6种工况进行仿真。由于槽铝框式安装取消了渠底凸台,下游的流速较大,流速比角钢框式高了约0.8m/s。为降低速度,在闸后修建了长度为1.8m、深度为0.2m的消力池,仿真结果表明,与修建消力池前相比,消力池后的水流速度降低了0.6m/s-1.4m/s,并且竖直截面上速度分布均匀,在闸前0.6m-2.2m、闸后6m-7m区间内流动比较稳定,适合安装传感器。 上述两种安装方式的仿真研究成果,对自动计量平板闸门的推广和合理使用,具有重要的参考价值。
【关键词】：明渠流动 平板闸门 CFD 自由液面 结构改进
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S274.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-15
• 1.1 课题来源及研究背景8-9
• 1.1.1 课题来源8
• 1.1.2 研究背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.2.1 概述9
• 1.2.2 国内关于明渠流动的研究现状9-11
• 1.2.3 国外关于明渠流动的研究现状11-13
• 1.3 课题研究的目的和意义13
• 1.4 本课题研究的主要内容13-15
• 2 计算流体力学的基本理论15-20
• 2.1 计算流体力学控制方程15-16
• 2.2 湍流的数值模拟方法16-18
• 2.3 控制方程的离散方法18
• 2.4 气液二相流的计算方法18-19
• 2.5 仿真软件选择19
• 2.6 本章小结19-20
• 3 角钢框式安装的流场数值模拟与结果分析20-41
• 3.1 流体计算域的几何建模20-21
• 3.2 流体计算域模型的Gambit前处理21-23
• 3.2.1 网格划分21-22
• 3.2.2 计算区域类型及边界类型设置22-23
• 3.3 计算域仿真的初始设置及计算过程23-27
• 3.3.1 求解器设置23
• 3.3.2 计算环境的设置23-24
• 3.3.3 物理模型设置24
• 3.3.4 边界条件设置24
• 3.3.5 仿真工况设计24-26
• 3.3.6 Fluent求解26-27
• 3.4 数值模拟结果及分析27-40
• 3.4.1 计算域的水面线分布27-31
• 3.4.2 计算域的速度分布31-38
• 3.4.3 计算域的压力分布38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 4 角钢框式的明渠结构改进及仿真验证41-48
• 4.1 明渠结构改进41-42
• 4.2 改进方案的仿真验证42-47
• 4.2.1 水面线对比42-43
• 4.2.2 速度分布对比43-47
• 4.3 本章小结47-48
• 5 槽铝框式安装的流场数值模拟48-56
• 5.1 安装方式介绍及仿真工况设计48-49
• 5.2 仿真结果分析49-51
• 5.3 明渠结构改进及仿真验证51-55
• 5.3.1 明渠结构改进及仿真工况设计51-53
• 5.3.2 仿真结果分析53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 6 结论和展望56-58
• 6.1 结论56-57
• 6.2 展望57-58
• 参考文献58-61
• 附录61-71
• 1. 文中未列出的速度等值线图61-65
• 2. 文中未列出的压力等值线图65-71
• 申请学位期间的研究成果及发表论文71-72
• 致谢72

【参考文献】

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本文编号：635469