小流量自由跌水长度及消能研究

发布时间：2017-10-24 15:07

  本文关键词：小流量自由跌水长度及消能研究

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【摘要】：自由跌水是几何结构较为简单但是流态非常复杂的现象,其为带自由表面的水气两相流。这种流动问题一直是研究的热点。本文首先简单介绍跌水的构造,在了解跌水研究背景的基础上,回顾了国内外在公式、试验和数值模拟方面的研究现状。再利用亚克力板制作不同尺寸的水槽,组成本次试验的模型。进行模型试验时,在不同的跌坎高度下,进行囊括多种不同流量的多组试验,以确保试验的全面性、合理性。并且现在水力学公式多为经验公式,本文在总结前人利用公式来计算跌水长度的研究成果基础上进行公式推导,提出一种快速、便捷地计算跌水长度的公式,并对其进行验证。最后本文就跌水消能问题利用FLUENT软件进行三维数值模拟,并在此基础上开展一系列的研究。(1)按照抛体运动进行自由跌水长度公式的推导。即跌水长度,其中A为经验系数,取值1.5~1.6;K为空气阻力系数,取K(28)1;a为动能校正系数,取a(28)1;q为单宽流量;H为跌坎高度。(2)采用VOF方法来处理水和气体的交界面以及利用其与k(25)e双方程模型相结合的方式来进行自由的跌水的三维数值模拟能够得到非常好的效果,与实际情况较吻合。(3)通过分析模拟结果中流态分布、渠道上下游压力分布、流速分布以及流线分布来判断采用此种数值模拟方法是非常可靠的。(4)将公式计算所得的跌水长度、模型试验所得结果与数值模拟结果三者进行对比分析。由对比结果可知,公式计算结果与模型试验结果非常接近,数值模拟结果与模型试验研究的误差值分别为17.6%、22.4%、14.6%。根据前人在数值模拟方面的经验以及实际试验条件,此误差值在可以接受的范围内。所以该公式可以运用于实际工程。(5)为使底板以及两岸减小冲刷,在下游设置一定高度的消力墙以提高消能率。本文在下游适当位置设置不同高度的消力墙,结合数值模拟与试验结果中的临底流速与动水压力来选出最优的消力墙高度。就本文的模型而言,选择3cm高的消力墙时,综合跌坎后底板与消力墙后底板的临底流速值以及最大动水压力值为综合考虑最优情况,为今后实际工程的运用提供一定的设计依据。
【关键词】：自由跌水 模型试验 公式推导 数值模拟 消力墙高度
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV135.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 跌水研究的背景9-11
• 1.2 跌水研究现状11-13
• 1.2.1 关于跌水长度的理论及试验研究11-12
• 1.2.2 关于跌水的数值模拟研究12-13
• 1.2.3 关于水垫消能的研究13
• 1.3 目前研究不足13-14
• 1.4 本文主要研究内容14
• 1.5 本章小结14-15
• 2 自由跌水模型试验15-30
• 2.1 水力模型试验基本原理15
• 2.2 工程背景15-16
• 2.3 试验设备16-20
• 2.3.1 试验水槽16-19
• 2.3.2 测量设备19-20
• 2.4 试验结果20-29
• 2.4.1 下游未设置消力墙20-24
• 2.4.2 下游设置有消力墙24-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 自由跌水公式推导30-37
• 3.1 理论基础30-33
• 3.1.1 临界水深的原理30-31
• 3.1.2 水跌的原理31-32
• 3.1.3 平抛运动原理32-33
• 3.2 跌水长度公式推导33-35
• 3.3 本章小结35-37
• 4 自由跌水数值模拟37-53
• 4.1 紊流数值模拟理论基础37-41
• 4.1.1 流体运动研究方法37-38
• 4.1.2 流体力学基本方程组38-39
• 4.1.3 紊流数值模拟39-41
• 4.2 模型构建及算法41-46
• 4.2.1 模型的构建41-45
• 4.2.2 边界条件及算法45-46
• 4.3 数值模拟结果分析46-49
• 4.4 多种工况模拟49-51
• 4.5 本章小结51-53
• 5 不同方法所得跌水长度53-56
• 5.1 模型试验结果53
• 5.2 公式推导结果53-54
• 5.3 数值模拟结果54
• 5.4 三种结果对比54-55
• 5.5 本章小结55-56
• 6 最优消力墙高度56-63
• 6.1 不同消力墙高度下水力特性56-61
• 6.1.1 各工况下临底流速56-58
• 6.1.2 各工况下动水压力58-61
• 6.2 最优消力墙高度61-62
• 6.3 本章小结62-63
• 7 结论与展望63-65
• 7.1 结论63-64
• 7.2 展望64-65
• 参考文献65-68
• 读硕士学位期间发表论文及科研成果68-69
• 致谢69-70

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