越坝气流的物理模拟和数值模拟研究

论文摘要

泄洪消能及伴随着的泄洪雾化问题是保证高水头电站安全运行的重要问题。泄洪所形成的雾化降雨对电站厂房、电器设备、交通公路及水利工程附近居民生活等都有很大的影响。而雾流扩散的主要影响因素是越坝气流（包括水舌风）运动特性,雾化影响最严重的区域发生在坝后分离漩涡区。因此,研究越坝气流运动发展形态,准确预测坝后绕流分离漩涡区的范围,对水电站的安全运行有重要意义。本文是基于国家自然科学基金资助重点项目《雅砻江水电开发联合研究》（50539060）中的雾流降雨范围部分的研究。本文主要内容为:首先对越坝气流、雾化降雨、后台阶流的相关情况及基础理论做了简单介绍,然后讲述了物理模型试验和数值模拟研究过程及得到的结论:物理模型试验在环境风洞中进行,以1999年水科院对二滩水电站进行原型观测数据为依据制作模型,试验所得表孔和中孔全开模型回流区纵向长度分别在6.53～7.6和5.87～6.8倍坝高度之间,可见泄流方式对越坝气流有一定影响;雾流降雨范围试验与原型观测结果基本相似,初步表明通过采用人工生成水雾形成雾源,在风洞中进行雾流降雨范围和越坝气流的模拟是可行的;数值模拟基于FLUENT流体工程软件进行,采用与物理试验相同的几何模型及工况,使用Realizableк-ε湍流模型对越坝气流进行了数值模拟,数值模拟结果较物理模拟结果略偏大,总的来说两种模拟结果符合较好,表明用该方法研究越坝气流运动是基本可行的。并使用该湍流模型对不同范围Re下的越坝气流进行研究,分析坝后回流区的纵向长度、涡心位置随Re数的变化以及水舌存在对越坝气流回流区的影响。此外,鉴于越坝气流运动发展形式同后阶流运动发展形式的某些相似之处,本文对越坝气流和后阶流进行了对比和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景及研究意义
• 1.1.1 雾化问题的提出及简介
• 1.1.2 越坝气流运动研究意义
• 1.2 越坝气流运动的研究现状
• 1.2.1 越坝气流运动的研究现状
• 1.2.2 后台阶流研究现状
• 1.3 本文的工作及创新点
• 1.3.1 本文的工作
• 1.3.2 本文的创新点
• 1.4 本章小结
• 第2章 越坝气流数学模型基本理论
• 2.1 越坝气流运动特点
• 2.1.1 越坝气流对雾化扩散的影响及运动特点
• 2.1.2 越坝气流紊动干扰区域的推算
• 2.2 数学模型介绍
• 2.2.1 流体运动基本方程
• 2.2.2 湍流运动基本方程
• 2.2.3 湍流模型简介
• 2.2.4 к～ε湍流模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 FLUENT 基本理论及应用简介
• 3.1 FLUENT 简介
• 3.1.1 FLUENT 程序结构
• 3.1.2 FLUENT 程序可以求解的问题
• 3.1.3 解决问题的步骤
• 3.2 FLUENT 中的网格
• 3.2.1 网格的选择
• 3.2.2 网格的质量
• 3.3 FLUENT 中边界条件的确定
• 3.4 FLUENT 基本物理模型
• 3.5 FLUENT 中的湍流模型
• 3.5.1 FLUENT 中湍流模型简介
• 3.5.2 FLUENT 中湍流模型的选择
• 3.6 FLUENT 中的求解器及求解方法选择
• 3.7 本章小结
• 第4章 越坝气流的物理模拟
• 4.1 二滩水电站简介
• 4.2 试验设备
• 4.3 试验方法
• 4.3.1 试验工况
• 4.3.2 人工大气边界层的模拟
• 4.3.3 相似准则
• 4.3.4 挑流水舌的模拟
• 4.4 试验成果
• 4.4.1 越坝气流流速分布及流态分析
• 4.4.2 雾流降雨试验
• 4.5 本章小结
• 第5章 越坝气流运动数学模型的求解与验证
• 5.1 概述
• 5.2 网格结构和边界设定
• 5.3 数值模拟结果
• 5.3.1 表孔全开数值模拟结果
• 5.3.2 中孔全开数值模拟结果
• 5.4 数值模拟结果与试验结果比较
• 5.5 本章小节
• 第6章 越坝气流运动的数值模拟
• 6.1 越坝气流回流区发展
• 6.1.1 越坝气流流场变化
• 6.1.2 回流区特性研究
• 6.1.3 回流区涡心位置特性
• 6.2 水舌对越坝气流的影响
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及发表论文和科研情况