环境友好型内消能工—旋流环形堰竖井泄洪洞的数值模拟

发布时间：2017-04-20 08:05

  本文关键词：环境友好型内消能工—旋流环形堰竖井泄洪洞的数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国西南、西北大型水电工程多数位于高山峡谷地带,水头高,泄量大,坝身不能承担全部的泄洪工作,尤其是日益兴建的面板堆石坝,一般需在岸边修建泄洪洞。作为电站枢纽工程中泄水建筑物防蚀消能设施的核心部分,传统泄洪洞消能率不高,流速大,出口雾化严重。考虑到当前水电工程对生态环境的影响已经成为衡量工程可行性的一个制约指标,其中一种趋势是把泄水建筑物的消能任务从洞外推到洞内,除了满足基本的泄量要求,同时还应兼顾防空蚀、保护生态和减少投资的目的。生态环境友好型的洞内旋流消能工是目前泄洪消能领域一个重要的研究热点和方向。本文所研究的新型旋流环形堰竖井泄洪洞属于一种典型的内消能工,它脱胎于传统的环形堰竖井泄洪洞,但在整个泄洪洞水流流态和消能防蚀机理上又完全是另辟蹊径。作为一种新型布置形式的消能工,其水力学特性并不是十分清楚,传统的模型试验方法仍难以揭示其复杂的水流特性,因此有必要开展新体型下水流的数值模拟和特性分析,这对成果的进一步推广应用具有深远的意义。依托于广东清远抽水蓄能电站下水库泄洪洞工程,利用Fluent计算流体力学软件,基于RNG k-ε双方程湍流数学模型,并结合VOF(Volume Of Fluid)方法,对下库旋流环形堰竖井泄洪洞进水口、竖井旋流泄洪洞、出口的复杂水流进行了三维数值模拟。主要研究内容包括:1)旋流环形堰竖井泄洪洞水流数值模拟及特性分析;2)潜水起旋墩的水力学机理、布置原则和流动特性计算;3)计算环形堰竖井空腔螺旋流合成速度和压力;4)洞内自掺气压力消能工的消能特性、结构特性等。模拟结果表明,本文的模型和算法能够较好地模拟具有高紊动、强离心力效应和强旋转并带有自由表面的环形堰竖井螺旋流运动。模拟所获得的该新体型旋流空腔流态、自由水面、合成流速、压力、紊动能、耗散率和总消能率等水力要素分布规律与模型试验成果符合良好,进一步揭示了自调节潜水起旋墩的旋流运动机理,完善了新型旋流环形堰竖井泄洪洞的设计理论和水力特性的计算方法,为今后该新型消能工的进一步推广应用提供了科学依据。
【关键词】：旋流 内消能工 旋流环形堰竖井泄洪洞 潜水起旋墩 数值模拟
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV651.3
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 旋流式内消能工国内外研究概况13-18
• 1.2.1 旋流竖井泄洪洞13-15
• 1.2.2 竖井-旋流泄洪洞15-17
• 1.2.3 旋流环形堰竖井泄洪洞17-18
• 1.3 旋流数值模拟研究概况18-20
• 1.4 研究内容20-21
• 第2章 旋流环形堰竖井新型消能工的体型设计21-36
• 2.1 广东清远抽水蓄能电站下库旋流竖井消能工体型21-25
• 2.1.1 电站工程概况21-22
• 2.1.2 旋流环形堰竖井泄洪洞的结构组成22-23
• 2.1.3 进水.核心装置-自调节潜水起旋墩23-25
• 2.2 结构尺寸的确定25-29
• 2.2.1 设计体型的基本尺寸确定原则与方法25
• 2.2.2 旋流环形堰平面半径和竖井直径25-27
• 2.2.3 旋流环形堰断面曲线和流量系数m的确定27-28
• 2.2.4 导流洞和水垫塘结构设计28-29
• 2.2.5 清远旋流环形堰竖井泄洪洞各尺寸确定29
• 2.3 模型试验成果简介29-34
• 2.3.1 旋流竖井泄洪洞泄流量29-31
• 2.3.2 流态31-33
• 2.3.3 流速33-34
• 2.3.4 下库旋流环形堰竖井泄洪洞总消能率34
• 2.4 与传统的旋流环形堰竖井泄洪洞的对比34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 数值模拟基本理论和计算方法36-49
• 3.1 计算流体力学简介36-37
• 3.2 湍流模型37-39
• 3.3 湍流的数值模拟方法39-41
• 3.4 数值求解方法41-42
• 3.5 压力修正法42-43
• 3.6 边界条件及壁面函数43-46
• 3.6.1 边界条件43-45
• 3.6.2 壁面函数45-46
• 3.7 自由水面处理技术46-47
• 3.8 商业软件的应用47-48
• 3.9 本章小结48-49
• 第4章 旋流环形堰竖井泄洪洞的三维数值模拟49-86
• 4.1 计算区域三维体积模型49-50
• 4.2 计算区域的网格划分50-53
• 4.3 计算结果与分析53-82
• 4.3.1 流态与自由水面53-61
• 4.3.2 压强分布规律61-68
• 4.3.3 速度分布68-80
• 4.3.4 旋涡强度和螺旋度80
• 4.3.5 紊动能和耗散率80-82
• 4.3.6 消能率82
• 4.4 不同湍流模型模拟对比82-85
• 4.4.1 流态83
• 4.4.2 竖井左右壁面压力比较83-85
• 4.4.3 消能率对比85
• 4.5 本章小结85-86
• 第5章 新型消能工部分水力特性理论解析计算86-98
• 5.1 泄流能力计算86-87
• 5.2 竖井合成速度解析计算理论87-94
• 5.2.1 竖井合成速度理论计算88-90
• 5.2.2 初始合成速度的确定90-91
• 5.2.3 清远下库旋流环形堰竖井合成速度计算91-94
• 5.3 竖井合成速度与水平夹角94
• 5.4 竖井空腔水层厚度和壁面压力计算94-97
• 5.5 本章小结97-98
• 第6章 结论与展望98-100
• 致谢100-101
• 参考文献101-105
• 作者简介105
• 作者在攻读硕士学位期间发表论文105-106
• 附件106-109

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张晓东;泄洪洞高速水流三维数值模拟[D];中国水利水电科学研究院;2004年

  本文关键词：环境友好型内消能工—旋流环形堰竖井泄洪洞的数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：318219