某阶梯溢洪道的水流水力特性数值模拟研究

发布时间：2017-06-17 11:06

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【摘要】：为了充分研究某阶梯溢洪道的水流水力特性,本文在CAD中建立阶梯溢洪道的计算区域,采用ANSYS ICEM CFD软件划分结构化网格,应用FLUENT,采用k-ε模型模拟紊流和VOF法追踪自由水面,分别在不同工况下对阶梯溢洪道进行整体三维流场数值模拟。将水面高程、底板压强、断面流速及消能率的计算结果与实测数据进行对比分析,两者吻合良好。为避免台阶空蚀空化、冲刷破坏和保证消能充分,提出了台阶、消力池及消力墩的联合消能的溢洪道。研究表明本文所采用的三维数值模拟区域和计算方法能够较准确地反映阶梯溢洪道的水流流场特性,快速提供更加细腻、完整的流场信息,且能为结构的优化设计提供可靠的依据。主要研究成果有：(1)关于水流流态。阶梯溢洪道上为滑行水流,台阶内的漩涡顺时针旋滚。溢洪道坡度为15.9°,是缓坡。上一级台阶边缘的尾流干扰相邻下一级台阶水流流态,使下一级台阶内形成三维不稳定回流,形成“尾流-台阶相干扰”型滑行水流。(2)关于压强。每个台阶上压强分布均匀且规律相同。当台阶内有水流旋滚时,水流冲击水平段,产生最大正压；背离台阶铅直面,产生最大负压。当台阶内无水流旋滚时,竖直面产生较小负压或者不产生负压。(3)关于流速。典型断面中垂线水深流速分布规律是在固壁面上流速为零,越接近水面流速越大,直至水面为最大。台阶凹角处存在漩涡,漩涡中心速度趋近于零,向外逐渐增大,至自由水面流速为最大值。(4)关于消能率。阶梯末端消能率均已达到80%以上,说明阶梯消能效果显著。但是,随着上游水头的增大,水流和台阶碰撞消耗的能量占总能量比重减小,坝面的消能率反而降低。联合消能的阶梯溢洪道消能率达到95%以上,效果理想；消力墩之后的水流流速较小,流态稳定,可作为解决今后实际工程中消能问题的新措施。
【关键词】：阶梯溢洪道 紊流模型 VOF模型 水力特性 联合消能
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV651.1;TV135.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 问题的提出10-14
• 1.1.1 国内外阶梯溢洪道的研究现状10-14
• 1.1.2 阶梯溢洪道研究中存在的问题14
• 1.1.3 本课题研究问题的提出14
• 1.2 研究阶梯溢洪道数值模拟的目的和意义14-15
• 1.3 本课题的主要研究方法15
• 1.4 本课题的主要研究内容15-16
• 2 紊流数值模拟理论与方法16-25
• 2.1 基本控制方程16
• 2.2 数值离散方法16-17
• 2.3 紊流模型17-20
• 2.3.1 紊流的基本方程17
• 2.3.2 紊流的数值模拟方法简介17-18
• 2.3.3 零方程模型18
• 2.3.4 一方程模型18-19
• 2.3.5 两方程模型19-20
• 2.4 自由表面处理方法20-21
• 2.5 流场数值计算方法21-23
• 2.5.1 SIMPLE算法21-22
• 2.5.2 SIMPLEC算法22
• 2.5.3 PISO算法22-23
• 2.6 主要使用软件简介23-24
• 2.6.1 ANSYS ICEM CFD网格划分软件概述23-24
• 2.6.2 FLUENT流体力学软件概述24
• 2.7 本章小结24-25
• 3 阶梯溢洪道的数值模拟25-45
• 3.1 工程概况25
• 3.2 水工模型试验简介25-27
• 3.2.1 模型范围与模型比尺25-27
• 3.2.2 模型试验主要内容27
• 3.3 阶梯溢洪道三维数值模拟27-31
• 3.3.1 计算方法27
• 3.3.2 模型建立及网格划分27
• 3.3.3 选择计算模型及求解器类型27-30
• 3.3.4 设定边界条件30
• 3.3.5 求解30-31
• 3.4 计算结果分析31-43
• 3.4.1 实测阶梯溢洪道的泄流能力31-33
• 3.4.2 水面高程33-36
• 3.4.3 底板压强36-40
• 3.4.4 断面流速40-42
• 3.4.5 消能率计算42-43
• 3.5 本章小结43-45
• 4 阶梯溢洪道联合消能的数值模拟45-69
• 4.1 联合消能方案的提出和内容45-47
• 4.2 计算方法47-49
• 4.3 计算区域模型修改及网格划分49-50
• 4.4 计算结果分析50-68
• 4.4.1 水流流态50-56
• 4.4.2 水面高程56-58
• 4.4.3 底板压强58-60
• 4.4.4 断面流速60-66
• 4.4.5 消能率计算66-68
• 4.5 本章小结68-69
• 5 结论与展望69-72
• 5.1 结论69-70
• 5.2 展望70-72
• 参考文献72-75
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况75-76
• 致谢76-77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 木克然·阿娃;阿力甫江·阿不里米提;木拉提·玉赛音;克尤木·别克;;阿拉沟水库溢洪道流场数值模拟[J];水利与建筑工程学报;2014年02期

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3 陈群,戴光清;鱼背山水库岸边阶梯溢洪道流场的三维数值模拟[J];水力发电学报;2002年03期

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本文编号：458149