基于迎风性的TVD格式在水击数值模拟中的应用

发布时间：2017-09-12 19:32

  本文关键词：基于迎风性的TVD格式在水击数值模拟中的应用

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【摘要】：在水利枢纽中,水击事故可能会使压力管道爆裂、水泵及阀门部件损坏,对水利枢纽的正常运行造成严重危害,模拟其过程至关重要。目前数值方法模拟水击现象是研究的热点。现如今,水击计算方法多种多样,优缺点各异。各国学者长期以来对它进行了广泛、深入的研究,数值模拟是重点研究方向之一。在众多方法中比较成功的一类是TVD格式。TVD在水击数值模拟方面,尚处于开始阶段。尽管之前的文献研究TVD模拟水击,但是没有将水流的迎风性考虑在内。由于水击过程中水流运动方向的变化,迎风效应会对水击过程产生影响,本文的目的是尝试用基于迎风性的TVD对水击过程进行数值模拟。本文基于前人的TVD格式模拟水击过程的成果的基础上,进一步分析迎风效应对数值模拟方法的影响,论证迎风TVD格式对于水击问题模拟的必要性和可行性,其主要内容包括以下几个方面:1.阐述迎风效应对水击计算过程的影响,编写迎风TVD格式程序,首次将迎风性的TVD格式带入水击问题的计算研究中。2.选用Roe构造的TVD格式,考虑其迎风性,应用于水击方程组中,模拟简单管道中的水击压力变化。并与Lax-Friedrichs(LF),MacCormark(MC),未考虑迎风性的TVD格式以及解析解进行对比,结果表明:基于迎风性的TVD格式不仅具有高分辨率、高精度、低耗散性等优点,相比于未考虑迎风性的TVD格式,前者有更强的压制性,耗散性更弱。3.探究流速对TVD格式模拟水击的影响。采用迎风TVD格式与非迎风TVD格式对四种不同流速情况下的简单管道水击进行模拟。计算结果表明:随着流速的提高,迎风TVD格式对于水击的数值模拟分辨率一直很高,稳定性极佳;而非迎风格式在间断处的捕捉能力随流速变大而减弱,呈负相关。说明迎风TVD格式的对于水击模拟方面有更广泛的适用性,尤其是对于高速水流的水击问题方面,该格式有明显的优越性。4.优选迎风TVD格式。将迎风格式分别应用于4种具有代表性的TVD格式中。这四种格式是Roe型TVD格式、Harten修正通量TVD格式、TVD-MacCormark格式以及TVD-LF格式。计算结果表明,Roe型迎风TVD格式在捕捉水击波方面耗散性和压制性数值性能最佳。5.将优选的Roe迎风TVD格式数值应用于甘肃某水电站工程实例的水击数值模拟计算当中。将计算结果和一阶Lax-Friedrichs(LF)格式,二阶MacCormark(MC)格式,未考虑迎风性的TVD格式以及物理模型试验的结果进行对比,取得了良好的效果。
【关键词】：迎风性 TVD格式 水击 数值模拟
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV134
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 研究目的和意义12-14
• 1.2 研究现状14-16
• 1.3 本文的研究方法16-18
• 1.4 TVD格式的定义与构造18-26
• 1.4.1 TVD格式的定义18-20
• 1.4.2 TVD格式的发展现状20-21
• 1.4.3 TVD格式的构造及其形式21-26
• 1.5 本文的研究方向26-27
• 1.6 本章小结27-28
• 第二章 迎风TVD格式在水击数值模拟中的研究28-40
• 2.1 水击的控制方程28
• 2.2 水击方程的守恒形式28-30
• 2.2.1 守恒型方程在数值模拟计算中的意义28-29
• 2.2.2 水击方程的守恒形式29-30
• 2.3 迎风TVD格式在水击方程中的应用30-32
• 2.3.1 迎风性的定义30
• 2.3.2 水击过程考虑迎风性的必要性30-31
• 2.3.3 迎风TVD格式在水击方程组中的应用31-32
• 2.4 水击计算的边界条件32-33
• 2.5 算例33-35
• 2.6 水流速度对TVD格式在水击数值模拟中的影响35-39
• 2.6.1 探究流速影响TVD格式水击模拟的必要性35-36
• 2.6.2 不同流速对两种TVD格式的影响36-39
• 2.7 本章小结39-40
• 第三章 迎风TVD格式的优选40-49
• 3.1 四种迎风TVD格式的构造40-46
• 3.1.1 Harten-TVD格式40-42
• 3.1.2 Roe-TVD格式42-45
• 3.1.3 TVD-MacCormack格式45-46
• 3.1.4 TVD-LF格式46
• 3.2 四种迎风TVD格式的优选46-47
• 3.3 本章小结47-49
• 第四章 工程实例——甘肃某水电站水击的数值模拟49-56
• 4.1 工程概况及枢纽布置49-50
• 4.1.1 工程概况49
• 4.1.2 枢纽布置49-50
• 4.2 水击压力模型试验50-51
• 4.2.1 试验内容及依据资料50
• 4.2.2 模型制作与测试方法50-51
• 4.2.3 试验成果51
• 4.3 迎风TVD格式在工程实例中的应用51-54
• 4.3.1 计算模型51-53
• 4.3.2 计算格式、边界条件和参数53
• 4.3.3 计算结果分析53-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第五章 总结与展望56-58
• 5.1 总结56-57
• 5.2 展望57-58
• 参考文献58-61
• 致谢61-62
• 作者简介62

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本文编号：839118