反拱水垫塘底板缝隙流场三维数值模拟及底板结构非线性静力分析

论文摘要

本文以拉西瓦高拱坝反拱水垫塘为研究背景,应用RNG k-ε紊流数学模型,建立了水库—泄水表孔—水垫塘—底板缝隙的三维整体数学模型,采用VOF法处理自由水面。计算分析了水舌冲击区及冲击区下游底板缝隙中的流场分布、压强分布及底板受力的脉动过程,并探究了底板上举力的成因。应用有限元原理建立底板结构模型,分析放空检修期反拱结构在不同水平扬压力作用下的承载能力。流场计算结果与试验数据进行了对比,二者吻合较好,计算结果可靠。分析认为,水舌冲击区,缝隙内紊动水流来源于入射水舌直接贯入纵缝。水舌冲击区下游,缝隙紊动水流来源于纵缝中水流的潜入。底板上表面力脉动振幅大于下表面力振幅。底板两边的纵缝在底缝中产生了两股横向壁射流,其折冲并相互碰撞,是底板上举力的主要来源。而局部时段底板上、下表面合力波动的不同步,形成了上举力的极值。结构计算表明,在与工程实际相近扬压力水平下,反拱结构不会发生失稳破坏；在超载扬压力作用下,只要保证拱座无竖向位移,结构不会失稳,但材料可能发生破坏,尤其要注意键槽处的应力集中。研究成果可供反拱水垫塘、平底水垫塘及消力池设计和研究参考,具有重要的理论意义和应用意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 高拱坝的泄洪消能
• 1.1.1 高拱坝消能特点
• 1.1.2 水垫塘概述
• 1.2 反拱水垫塘流场的研究
• 1.2.1 试验研究
• 1.2.2 数值模拟研究
• 1.2.3 底板缝隙流场的研究
• 1.3 反拱水垫塘底板结构稳定性研究
• 1.4 存在的问题
• 1.5 本课题研究的内容
• 2. 紊流数值模拟理论和方法
• 2.1 紊流数值模拟方法
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 有限差分法
• 2.2.2 有限元法
• 2.2.3 有限体积法
• 2.3 流场数值计算方法
• 2.3.1 SIMPLE算法
• 2.3.2 SIMPLEC算法
• 2.3.3 PISO算法
• 2.4 多相流模型
• 2.4.1 混合模型
• 2.4.2 欧拉模型
• 2.4.3 流体体积分数模型
• 2.5 自由液面处理方法
• 2.5.1 刚盖假定
• 2.5.2 标高法
• 2.5.3 MAC法
• 2.5.4 VOF法
• 2.6 边界条件及近壁处理
• 2.6.1 边界条件
• 2.6.2 近壁面处理
• 2.7 应用的商业软件
• 3. 底板结构有限元分析方法
• 3.1 有限元法的基本原理
• 3.2 接触分析的基本理论
• 3.2.1 接触问题的描述
• 3.2.2 接触约束条件
• 3.2.3 有限元离散化接触系统平衡方程
• 3.3 应用的商业软件
• 4. 反拱水垫塘底板缝隙流场的数学模型
• 4.1 模型设计
• 4.1.1 试验模型
• 4.1.2 数学模型
• 4.2 数值模拟结果与模型试验对比
• 4.2.1 水流流态
• 4.2.2 水垫塘流场
• 4.2.3 水垫塘底板压强
• 4.2.4 试验验证
• 4.3 小结
• 5 底板缝隙流场水流特性分析
• 5.1 水舌冲击区缝隙内水流特性 #49.
• 5.1.1 水流流态
• 5.1.2 缝隙内壁面压强分布
• 5.1.3 底板上下表面受力及上举力
• 5.2 靠近冲击点的下游缝隙内水流特性
• 5.2.1 水流流态
• 5.2.2 缝隙内壁面压强分布
• 5.2.3 底板上下表面受力及上举力
• 5.3 远离冲击区的下游缝隙内水流特性
• 5.3.1 水流流态
• 5.3.2 缝隙内壁面的压强分布
• 5.3.3 底板上下表面受力及上举力
• 5.4 冲击区下游底板缝隙流场的成因和分布
• 5.5 底板上举力成因的分析
• 5.6 小结
• 6. 反拱水垫塘底板结构非线性静力分析
• 6.1 有限元模型的建立
• 6.1.1 材料性能
• 6.1.2 几何模型及网格划分
• 6.1.3 边界条件
• 6.1.4 荷载施加
• 6.2 计算结果及分析
• 6.2.1 反拱底板的竖向位移
• 6.2.2 底板结构应力分布
• 6.3 小结
• 7. 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 计算模型及试验验证结论
• 7.1.2 缝隙内流场分布
• 7.1.3 缝隙内壁面压强分布
• 7.1.4 底板上下表面受力及上举力
• 7.1.5 底板上举力成因的分析
• 7.1.6 反拱水垫塘底板结构静力分析结论
• 7.1.7 与同类工程的联系
• 7.2 创新点
• 7.3 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录