门槽水流的数值模拟及其空化特性分析

论文摘要

水利水电工程中，闸门对控制水库水位及流量、防洪安全调度、综合利用水利资源方面发挥了很大作用。对于高水头深孔泄水建筑物，水流流速通常在30m／s以上，水工建筑物的过水表面易发生空化现象。而其中平板闸门的门槽是容易发生空化的部位。经过众多学者的研究，发现水流在门槽内的流动有其特殊的规律，如何利用好这些规律，合理地设计门槽的体型，从而避免门槽在较高流速情形下发生空蚀是水利工程的重大研究课题之一。本文的研究目的就是在总结前人研究成果的基础上，通过建立以标准k—ε紊流模型和混合模型为基础的数值模型，对门槽内水流的流速分布，压强分布，空化特性等进行系统探究，以求对门槽内的流场特性和空化特性有深入的了解。本文的主要工作包括：1．建立数值模型，经过网格有效性和数值可靠性检验后，模拟从静态到统计定常态门槽内漩涡形成和发展过程。2．模拟统计定常态时门槽内的流场，并对流速分布和紊动能分布规律进行分析。3．研究不同体型条件下的门槽水流流场，得到体型参数对门槽空化特性的影响规律。4．以具体工程为例，建立三维数值模型，模拟结果和试验值吻合良好，探讨三维门槽流速分布和压强分布特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 空化问题的提出
• 1.2 空化的研究进展
• 1.2.1 空化机理、空化分类及其影响因素
• 1.2.2 空泡动力学概况
• 1.2.3 水流空化的数值模拟概况
• 1.3 门槽水流空化特性研究进展
• 1.3.1 门槽空化机理
• 1.3.2 门槽空化类型
• 1.3.3 影响门槽初生空化数的因素
• 1.4 前人对门槽空化的研究综述以及存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 数值模拟的理论与方法
• 2.1 引言
• 2.2 数值模拟的步骤
• 2.3 数学模型的建立
• 2.3.1 紊流模型
• 2.3.2 空化模型
• 2.4 边界条件
• 2.4.1 边界条件概述
• 2.4.2 流动进口边界条件
• 2.4.3 流动出口边界条件
• 2.4.4 壁面条件
• 2.5 数值离散方法
• 2.5.1 有限体积法使用的网格
• 2.5.2 有限体积法的应用过程
• 2.5.3 离散方程的求解策略
• 2.6 本章小结
• 第三章 平面二维门槽的流场特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 数值模拟的主要内容
• 3.3 网格的划分和边界条件的设定
• 3.4 数值模拟结果的验证
• 3.5 门槽漩涡的产生过程的模拟
• 3.6 定常态时门槽内的流速分布特点
• 3.7 定常态时门槽内流场的紊动能k分布特点
• 3.8 本章小结
• 第四章 门槽空化特性的影响因素研究
• 4.1 引言
• 4.2 数值模拟的主要内容
• 4.3 宽深比（W/D）对门槽水流空化的影响
• 4.4.1 流场
• 4.4.2 压强分布
• 4.4.3 紊动能分布
• 4.5 错距比（Δ/W）的影响
• 4.6 圆角比（R/W）的影响
• 4.7 斜坡坡度（Δ/X）的影响
• 4.8 门槽体型优化
• 4.9 本章小结
• 第五章 吉林台水电站泄洪洞进口段紊流数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 吉林台一级水电站深孔泄洪洞概况和物理模型试验
• 5.3 三维数学模型的建立和验证
• 5.3.1 计算区域的定义和网格剖分
• 5.3.2 边界条件的设定
• 5.3.3 计算方法
• 5.3.4 数学模型和物理模型结果的比较
• 5.4 门槽附近水流的特征分析
• 5.4.1 门槽水流的流态分析
• 5.4.2 门槽壁面压强分布
• 5.4.3 门槽空化状况
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所参加的科研项目