带中坎消力池水力特性数值模拟

论文摘要

随着紊流理论和计算机技术的不断发展,数值模拟在水利工程中的应用越来越广泛,发挥的作用也愈加明显,成为研究水力学的一个重要手段。本文采用k?ε紊流模型,建立三维数值模拟,模拟闸孔泄水的整个过程:（1）以斑竹园水电站为背景,在消力池中加设中坎,提出中坎消力池,建立中坎消力池的三维模型。计算得到纵剖面流速矢量图、表流等值线图、紊动能分布图和紊动能耗散率分布图,来分析中坎消力池内流场的流态并将计算结果与试验值进行了对比验证;（2）论文通过数值模拟计算并对中坎消力池内流态等因素进行了分析,认为中坎消力池内的水流流态与来流的流量、中坎位置、中坎高度、尾坎高度及海漫长度等反映淹没撞击射流基本参数有关。消力池中的流动结构可表示为主射流区+旋滚区的混合结构,主射流区与各旋涡区之间交界区是一层强紊动剪切区,主流在该区域通过强烈的紊动剪切和扩散作用以耗散其机械能。该区域是消散机械能的主区域。交界面区域所消散的射流动能,一部分传递给紊流,用以生成紊动涡体,维持紊流脉动和紊动耗散;一部分传递给漩涡区,维持这些漩涡取的转动。主射流区机械能的传递、再分配和消散过程中,紊流脉动所需要的能量最多,其次是漩涡所需的能量。上述证明了中坎有利于能量的耗散,从理论上也验证了中坎消力池消散能量效果好的特点;（3）本文对消能特性进行了深入的研究和分析,得出本文取值范围内,中坎段消能率与堰顶的不同流量关系性不大;当中坎的高度为溢流坝高度的3/4时,中坎消能率较好;中坎位置置于消力池内2/3处,消能效果明显最佳。随中坎位置的后移消能效率急速降低;较无中坎时,加设中坎后消能效率明显增加,消能效率提高了23倍,达到了62%左右,中坎消能比重增加到75%,减小了下游的冲刷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 中坎消力池数值模拟选择背景及意义
• 1.2 国内外消能方式及发展状态
• 1.2.1 底流消能
• 1.2.2 挑流消能
• 1.2.3 面流消能
• 1.2.4 戽流消能
• 1.3 国内外数值模拟现状及发展动态
• 1.3.1 MAC 法
• 1.3.2 VOF 法
• 1.3.3 LINC 法
• 1.3.4 钢盖假定法
• 1.4 论文工作
• 第二章 数学模型及计算方法
• 2.1 Navier-Stokes 方程
• 2.2 紊流的基本方程
• 2.2.1 连续方程
• 2.2.2 动量方程
• 2.3 紊流的数值模拟方法
• 2.3.1 直接模拟法
• 2.3.2 大涡模拟法
• 2.3.3 统计平均法
• 2.3.4 Reynolds 平均法
• 2.4 网格生成技术
• 2.4.1 网格的类型
• 2.4.2 网格单元的分类
• 2.4.3 网格生成的过程
• 2.4.4 网格生成的方法
• 2.5 数值计算方法
• 2.5.1 有限差分法
• 2.5.2 有限单元法
• 2.5.3 有限体积法
• 2.5.4 有限节点法
• 2.5.5 边界单元法
• 2.5.6 有限分析法
• 2.6 压力速度耦合方法
• 2.6.1 SIMPLE 算法及压力修正方程
• 2.6.2 SIMPLEC 算法
• 2.6.3 PISO 算法
• 2.7 多相流模型
• 2.7.1 混合模型
• 2.7.2 欧拉模型
• 2.7.3 流体体积分数模型
• 2.8 数值模拟中常用的计算软件
• 2.8.1 程序结构
• 2.8.2 FLUENT 程序可以求解的问题
• 2.8.3 用FLUENT 程序求解问题的步骤
• 2.8.4 FLUENT 求解器
• 2.8.5 FLUENT 求解方法的选择
• 2.9 本章小结
• 第三章 中坎消力池水流数值模拟验证
• 3.1 概述
• 3.2 中坎消力池数学模型
• 3.3 数值模拟工况
• 3.4 边界条件
• 3.5 表流与底流验证
• 3.6 本章小结
• 第四章 数值模拟结果及分析
• 4.1 数据处理所用的软件简介
• 4.2 计算结果及分析
• 4.2.1 流态分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 中坎消力池的消能特性分析
• 5.1 水跃的基本形式
• 5.2 水跃与下游水面的衔接
• 5.3 跃后水流的能量耗散
• 5.4 消力池设置中坎的消能机理
• 5.5 中坎消能效率公式的推导
• 5.6 各参数与消能效率的关系
• 5.6.1 流量与消能效率
• 5.6.2 中坎位置与消能效率的关系
• 5.6.3 中坎高度与消能效率的关系
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表的论著及取得的科研成果