多孔消能板陡槽溢洪道消能率影响因素分析和数值模拟

发布时间：2017-12-02 04:28

  本文关键词：多孔消能板陡槽溢洪道消能率影响因素分析和数值模拟

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【摘要】：陡槽溢洪道作为泄洪建筑物广泛应用于水利工程建设中,用于宣泄规划库容所不能容纳的洪水。陡槽溢洪道中的水流具有单宽流量大、流速高、能量集中的特点,如不对陡槽溢洪道中的水流能量进行充分的削杀,则会给下游建筑物带来危害。以往的研究表明,在陡槽溢洪道上设置多孔消能板可以显著降低水流能量,减小消力池的深度和长度,降低工程造价。以往的研究是通过物理模型试验的方法,通过仪器测量来得到模型中测点位置的水力参数。该种测量方法简单明了,但仅能得到有限个测点的水力参数,无法直观体现出整个溢洪道内流场的水力参数；此外,受到物理模型条件的限制,能够得到的工况种类有限。近年来随着计算机技术和数值模型的发展,人们越来越重视运用数学模型模拟计算各种复杂的水流现象及流场内部结构。综合种种因素,本文采用数值模拟计算与物理模型试验相结合的研究方法,对多孔消能板陡槽溢洪道内流场进行三维数值模拟,这在以前的相关研究中是不多见的。本文通过分析已完成多孔消能板陡槽溢洪道物理模型试验成果,总结了5种消能率影响因素与多孔消能板陡槽溢洪道消能率的关系。并根据已完成的物理模型试验条件设计出9种数值模拟工况,得到数值模拟计算结果后与物理模型试验结果进行对比分析。论述了溢洪道流量、陡槽溢洪道坡度和多孔消能板级数的变化给水流流态和流速分布带来的影响,并在此基础上给出物理模型试验未涉及到的消能率影响因素的变化给多孔消能板陡槽溢洪道底板压强及紊动强度带来的影响论述,结论如下：1.通过分析多孔消能板陡槽溢洪道物理模型试验数据,总结了五种消能率影响因素与多孔消能板陡槽溢洪道消能率的关系：增加陡槽溢洪道坡度、多孔消能板级数和多孔消能板高度可使其消能率增大,增加溢洪道流量、多孔消能板孔面积比,使其消能率降低。同时给出消能率影响因素的变化对消能率影响的大小,从大到小排序为：溢洪道流量(7.11%)、溢洪道陡槽溢洪道坡度(5.54%)、多孔消能板高度(4.01%)、多孔消能板级数(1.92%)、多孔消能板孔面积比(1.44%)。2.利用数值模拟软件Fluent对已完成的物理模型试验进行1：1的三维数值模拟,得到了水流流态、水面线分布及流速分布,并与物理模型试验结果吻合良好,说明利用RNG k-ε双方程紊流模型、两相流VOF模型和PISO算法求解离散方程对于模拟多孔消能板陡槽溢洪道内水流是可行的。3.针对紊流模型的选择做出了紊流模型适用性分析,对比了标准k-ε、 Realizable k-ε和RNG k-ε紊流模型在第一级与第二级多孔消能板间水流流线、流速矢量分布,结果表明运用RNGk-ε紊流模型模拟计算得到的结果能更加精确地与物模试验相吻合。从数值模拟的角度出发,论述了溢洪道流量、陡槽溢洪道坡度和多孔消能板级数的变化给水流流态、流速及底板压强分布带来的影响,同时对流量和溢洪道坡度的变化对多孔消能板陡槽溢洪道内水流紊流强度的影响做出了论述。得出以下结：水流流态：(1)随着流量的增大,多孔消能板对陡槽溢洪道内的水流流态调整效果越来越差,水流流态越发紊乱,水面逐渐雍高。但三种工况下陡槽段出口流态基本稳定,水面线平稳；(2)随着陡槽溢洪道坡度的增加,多孔消能板对水流流态的调整作用更为明显；(3)随着多孔消能板级数减小一级,4级多孔消能板对水流流态的调整效果不如5级。水流流速分布：(1)随着上游流量的增加,在水流流速分布上呈现逐渐增大的趋势；(2)随着溢洪道陡槽溢洪道坡度的增加,在水流流速分布上呈现逐渐增大的趋势；(3)随着多孔消能板级数减小一级,在水流流速分布上各级多孔消能板之间均呈现逐渐增大的趋势。底板压强分布：(1)随着流量的增大,第一级多孔消能板前底板压强从0.5kpa增大到2.4kpa,在第一级、二级板间出现了相对较大底板压强的冲击区,冲击区随着流量的增大逐渐向下游移动；(2)随着陡槽溢洪道坡度的增加,坡度5%与坡度9.1%虽然在第一级板前底板压强最大值虽然相近,但是坡度9.1%下游各级板间底板压强梯度范围变大；(3)随着多孔消能板级数减少一级,各级板前底板压强最大值出现的区域变大,各级板间底板压强梯度范围也变大。紊动强度分布：(1)随着流量从5.1L/s增大到15.3L/s,各级多孔消能板对水流紊动强度的消减作用降低,流场的脉动情况随着流量的增大而增大；(2)随着陡槽溢洪道坡度的降低,无论是Z=0平面紊动强度分布还是底板紊动强度分布,工况5均降低,说明在溢洪道坡度较小的工况当中,流场脉动情况较小。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV651.1

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本文编号：1243657