非对称溢洪道进口水力特性的数值模拟研究

发布时间：2020-10-31 08:07

　　 溢洪道作为水利工程中的重要建筑物,承担着疏浚泄洪、维护工程安全与稳定的作用,其型式及布设方式直接影响着工程安全。溢洪道常布置于岸边或垭口,择取有利地形,并需考虑地形结构、岩体特性及水文地质因素给泄洪带来的不利影响。现行水利工程中,以具备泄洪任务重、来流水位高、河床范围窄等特质者居多,安全平稳泄流便成为设计此类工程的着重研讨课题。受地势地质等环境要素的制约,其进口所处地貌通常较为复杂。在宣泄洪水时,绝大多数工程的水流流向均垂直于引渠段进口。考虑到工程特点、地质特征、施工环境及经济等因素,部分工程布设溢洪道进口段时地势条件不理想、地形曲折,进口段型式为非对称,从而致使来流偏转、水体流动形式复杂。非对称进口来流会导致泄洪时溢洪道进口段流态紊乱,有复杂漩涡生成,溢洪道两侧壁水深不等的现象,进而致使溢洪道泄流能力不稳。因此,应充分认识溢洪道进口段复杂地质形式,综合考虑地形地质、开挖方量等特点,对溢洪道进口段进行合理优化,以保证建筑物稳定安全运行。以往针对溢洪道的研讨,大多仅局限于来流条件良好的情况,而溢洪道进口地势条件不利状况的研究较少。针对溢洪道进口的模拟,由于涉及水气两相流及流体与建筑物、流体之间相撞击等问题,其数值选型及精确模拟是计算流体力学的一大难点。本文以某水利工程为研究背景,针对非对称来流下的溢洪道进口段,进行多种布置方案的数值模拟研究。关键研究方法及所得成果如下:(1)为改善其非对称进口给来流造成的不利影响,利用CLSVOF法建立自由表面两相流模型,RNG k~ε紊流模型模拟进口湍流。选取有限体积法以离散控制方程,采用瞬态PISO算法将压力与速度场进行耦合,非结构网格处理计算域复杂边界,针对溢洪道多种运行工况进行数值计算研究。分析进口段流速及下游水位分布,经优化和分析对比,提出在进口段设置两段20m长、13.6 m高的平行导流墙作为推荐优化方案。(2)模型试验用以判定数值模拟结果的准确性,依据重力相似准则制成试验模型,其比尺为1:40,针对溢洪道校核工况进行模型试验探究。试验观测各运行工况下溢洪道整体及细部流态,测得沿程水位、特征断面流速与堰面压强系列水力要素分布,将空化现状、冲刷形态的因素考虑其中。结果表明,所选优化型式有效消除了进口漩涡,因非对称来流造成的流态紊乱、局部水面壅高及在边墙形成水翅等不利现象得到改善,溢洪道整体水力特性符合工程要求。(3)综合考量不同数值模型对运算结果的影响,Standard k~ε模型、RNG k~ε模型、Realizable k~ε模型分别结合CLSVOF方法对校核工况下优化方案进行计算分析。通过试验实测值对数值计算结果进行准确性验证,引入变异系数计算其与试验所得数据的拟合程度。比选出最能真实模拟实际工程流动状态的计算模式,总结出RNG k~ε为最适宜描述此工程实际运行情况的紊流模型。(4)应用数值模型对溢洪道进口段进行多种导流墙优化型式的探究,对比不同型式的进口导流墙对引渠段恶劣漩涡、溢洪道局部水位壅高等系列问题的改善效果。综合分析工程选址处地势特征、优化方案的调整范围,总结得出15~20m长为本工程溢洪道进口导流墙的最佳优化范围。本文研究了进口地势不利条件下溢洪道的水力特性,为深入分析引渠段复杂流场提供了技术保障。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV651.1;TV135
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 选题背景及意义
    1.2 溢洪道工程特点
    1.3 国内外相关研究综述
        1.3.1 溢洪道研究现状
        1.3.2 溢洪道进口水力特性研究
        1.3.3 流体对水工建筑物作用力研究
        1.3.4 溢洪道导流墙研究现状
    1.4 本文研究内容及方法
    1.5 本章小结
2 紊流数值模拟理论探讨
    2.1 基本控制方程
    2.2 紊流数值计算
        2.2.1 Standard k-ε模型-9 -
        2.2.2 RNG k-ε模型
        2.2.3 Realizable k-ε模型
    2.3 数值离散方法
    2.4 流场数值计算
        2.4.1 SIMPLE算法
        2.4.2 SIMPLEC算法
        2.4.3 PISO算法
    2.5 自由表面追踪
        2.5.1 VOF水气两相流模型
        2.5.2 Level-Set方法
        2.5.3 CLSVOF方法
    2.6 本章小结
3 某工程溢洪道进口数值模拟研究
    3.1 工程概况
        3.1.1 模型比尺及范围
        3.1.2 试验量测设备
        3.1.3 模型试验主要内容
    3.2 三维数学模型建立
        3.2.1 复杂计算区域处理
        3.2.2 边界条件设定
        3.2.3 进口导流墙优化方案
    3.3 数值模拟前期准备工作
        3.3.1 计算方法初步选型
        3.3.2 计算区域初始化
        3.3.3 计算稳定性与收敛性
    3.4 试验结果及分析
        3.4.1 进口流态
        3.4.2 沿程水位
        3.4.3 堰面压强
        3.4.4 特征断面流速
        3.4.5 空化数分布
        3.4.6 冲坑形态
    3.5 本章小结
4 数值计算模型比选
    4.1 水面线对比分析
    4.2 动水压强对比分析
    4.3 断面流速对比分析
    4.4 本章小结
5 溢洪道进口优化方式探究
    5.1 进口流态
    5.2 沿程水位
    5.3 堰面压强
    5.4 特征断面流速
    5.5 本章小结
6 总结与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间科研项目及科研成果
致谢

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本文编号：2863681