平面大扩散角水流特性及三角翼调控数值模拟

发布时间：2020-05-25 08:19

【摘要】：扩散过渡段的位置布置与形态是关系到工程安全运行和社会经济发展等的重要问题。但是由于过流宽度、地质条件、空间布置等原因的限制,国内外很多工程不得不缩短扩散段长度,选择采取平面大扩散角的过渡形式。然而扩散段的扩散角超出一定范围后,导致扩散过渡段出现侧壁回流、边界脱流、主流偏流等不利水力现象,影响建筑物的正常运用,甚至危及建筑物的安全。本文以某水电站尾水洞与明渠过渡衔接段的工程实际问题为背景,采用三维流场数值模拟方法,研究平面大扩散角明渠流动中过渡段的水流特性和三角翼调控的调控效果与优化设计。(1)本文基于CFD软件FLUENT建立了平面大扩散角明渠过渡段的数学模型,将数值模拟计算结果与物理模型试验结果对比验证,结果表明Realizable k-?紊流模型及PISO速度-压力的耦合算法比较适用于本文研究问题,并进一步完成了参数率定。(2)对无控导条件下扩散段水流流动进行了数值模拟,通过分析不同水流条件下水流在扩散段的流动特性,包括流动分离的特点、回流强度及回流区随着流动的发展变化状况等,初步分析了来流流量对主流偏移程度的影响及无控导条件下扩散段主流偏移的形成机理,结果发现主流偏移发展过程中形成的新生回流区对主流的偏移起负反馈作用,延长了偏移达到稳定时所需的时间。(3)在扩散段增设潜没式三角翼控导措施后,通过不同水流条件的数值模拟,研究了三角翼控导对改善扩散段流态所起的作用,结果表明三角翼具有对主流的分流作用,对侧壁回流区的挤压破坏作用,对扩散段动量的重新分配以及水流结构(流速在扩散段平面和垂向上分布上)的调整等作用。(4)在前人研究基础上,提出了分流度?、潜没度h、控导度η、攻流度?、丰满度b、回流度?与位置度_l?等三角翼体型及位置优化控制指标,并在数值模拟工作中对其中一些指标进行了研究,提出了30°平面大扩散角明渠的攻流度?的初步优化取值为0.75、控导度η的初步优化取值为0.4,位置度?_L的初步优化取值为0.1,三角翼初步优化设计建议方案,为三角翼后续研究及应用提供了一定的理论参考。
【图文】：

技术路线图,技术路线

解决大扩散段水流平顺衔接问题的关键，，是要从抑制边界层分离角度入手，满足水特性优良与水流平顺连续性要求，但目前在这方面的研究还较少。同时，从工程应度出发，复杂边界条件下的水利工程，急需体型简单、经济可行、效果优良、施工的控导措施，急需平面大扩散角明渠过渡段的实用水力设计方法。在前人研究的基利用数值模拟对水流进行控导的进一步研究，可以为控导水流的措施提供最优方案，合物模试验，两者结合使用可以为如何更好的改善水流流态提出行之有效的措施。3 本文的研究工作.1 研究思路本文在前人研究的基础上，以计算流体力学软件 FLUENT 为主要研究手段进行数拟，研究不同工况下大扩散段内紊流复杂的三维流动，分析扩散段内流场特性与边分离特点；通过对模拟结果的数值分析，提出三角翼潜没式三角翼各几何参数的优围；并给出潜没式三角翼的最优形式，技术路线如图 1-1 所示。

示意图,扩散段,明渠,内流

工程应建的几何三维 CA创建模型格软件后建模方法需要有限射网格划至六个面能结合成采用 Au型的创建部分，图方面的研应用中主流何模型精度AD 软件（A型较为方便，后可能需要法；②自底限元模型的划分时，平面面组成；而相成一个体就utoCAD 三维建。如图 2-图 2-5 为三角研究。的网格生成高，但操作AutoCAD、能够构建出进行修复。向顶的建模类型，简单面结构一定相对来说自可以。维建模软件-3 和图 2-4角翼实体概成软件大多数作相对麻烦CATIA、出复杂的几CAD 软件模方式；③混单来说就是网定要由三个或自动网格划分件运用自顶向4 分别为平面概念模型，本数都具备创烦，对于复杂Pro/ENGIN几何模型，但件几何建模混合使用前网格划分是或者四个边分实体模型向底与自底面大扩散段本课题将通创建几何模杂几何模型NEER、UG但模型的几何模方式主要有前两种方法是映射网格划边组成，体网型的建立比较底向顶进行混段明渠内流道通过它进行水型的功能型的创建相G NX、S何精度一有三种方。但应注划分还是网格则要较简单，混合使用道模型和水流特性
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV135

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