琴键堰倒悬比参数优化及下游冲刷形态数值模拟研究

发布时间：2023-09-13 23:05

　　琴键堰是一种新型迷宫式溢流堰,具有超强的泄流能力,其上下游顺水流方向倒悬的设计克服了传统迷宫堰基座占地面积较大的缺陷,从而可以更广泛的安置在大坝或溢洪道上,有效地解决各类水库泄洪能力不足的问题。由于琴键堰流态复杂、体型参数众多且泄流能力的大小直接取决于体型参数的大小,因此对其水力特性及体型参数的研究具有重要意义。本文结合琴键堰模型试验,采用FLOW-3D软件,选用RNG k-ε湍流模型和VOF法自由表面捕捉技术,模拟研究了上下游倒悬比对琴键堰泄流特性的影响及琴键堰下游的冲刷特性。主要研究内容及成果如下:(1)通过试验及数值模拟研究了倒悬比为2.5的非对称琴键堰的泄流特性。首先结合网格无关性及收敛性分析,通过对比流量、堰上水头、水面线、流态等信息验证了该数值模拟方法对琴键堰泄流模拟的可行性,然后详细分析了上下游倒悬不对称布置下琴键堰的流态特征、流速分布及压强分布特点。(2)模拟计算了倒悬比为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、∞时六种琴键堰的流动,分析了泄流能力随倒悬比参数的变化规律及影响机制。结果表明倒悬比是影响琴键堰泄流能力的重要体型参数,在同一堰上水头下,倒悬比越大,琴键堰的泄...

【文章页数】：95 页

【学位级别】：硕士

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摘要
abstract
符号说明
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 迷宫堰发展历程
        1.2.2 琴键堰研究进展
    1.3 琴键堰研究方法
    1.4 本文研究内容与技术路线
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 技术路线
    1.5 本章小结
2 数值模拟理论
    2.1 计算模型
        2.1.1 紊流模型
        2.1.2 泥沙冲刷模型
    2.2 运动方程
    2.3 数值求解方法
        2.3.1 控制方程的离散
        2.3.2 控制方程的求解
    2.4 FLOW-3D软件介绍
        2.4.1 基本操作流程
        2.4.2 网格划分方法
        2.4.3 自由液面处理方法
    2.5 本章小结
3 实验及模型验证
    3.1 实验装置及测量工具
        3.1.1 实验装置
        3.1.2 琴键堰试验模型
        3.1.3 实验测量工具及内容
    3.2 实验数据记录与计算
    3.3 琴键堰数值模型建立
        3.3.1 数值模型构建
        3.3.2 网格划分及收敛性与无关性分析
        3.3.3 边界条件设置及计算工况
        3.3.4 模型选择
    3.4 数值模拟与模型试验结果分析
        3.4.1 泄流能力对比分析
        3.4.2 模拟与试验流态对照
    3.5 本章小结
4 非对称型琴键堰水流特性分析
    4.1 流态分析
    4.2 流速分析
    4.3 压强分析
    4.4 本章小结
5 倒悬比对琴键堰泄流能力的影响
    5.1 模拟工况与体型
    5.2 计算结果分析
        5.2.1 总泄流能力分析
        5.2.2 各溢流前缘泄流能力分析
    5.3 本章小结
6 琴键堰下游河床冲刷特性数值模拟分析
    6.1 模型试验
    6.2 下游河床冲刷数值模型
        6.2.1 模型构建
        6.2.2 网格划分
        6.2.3 边界条件、初始条件及泥沙特性设置
    6.3 模型验证
        6.3.1 冲刷平衡判断条件
        6.3.2 结果对比分析
    6.4 流量对琴键堰下游河床冲刷的影响
        6.4.1 模拟工况
        6.4.2 不同流量下的冲坑形态比较
        6.4.3 不同流量下速度场的变化
        6.4.4 不同流量下紊流场的变化
        6.4.5 不同流量下床面剪切应力的变化
    6.5 泥沙粒径对琴键堰下游河床冲刷的影响
        6.5.1 模拟工况
        6.5.2 不同粒径下的冲坑形态比较
        6.5.3 不同粒径下速度场的变化
        6.5.4 不同粒径下紊流场的变化
        6.5.5 不同粒径下床面剪切应力的变化
    6.6 本章小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间主要研究成果



本文编号：3846085