对称曲面贴角窄缝挑坎水力特性数值分析

论文摘要

随着我国高坝建设的迅速发展,泄水建筑物的消能问题亦愈发突出。实践表明,窄缝消能工突破了常规等宽鼻坎消能工的传统模式,利用挑坎两侧侧墙的收缩使水流纵向扩散,加剧水流紊动使其充分掺气,提高了消能率,从而达到减轻下游河床冲刷的目的。目前,窄缝消能工已成功地应用在国内外高水头泄水建筑物中,成为一种高效的消能工。然而,由于窄缝消能工水流的复杂性以及受来流及下游边界条件的影响,窄缝消能工的设计与运用尚没有较完善的分析方法及较统一的经验公式,仍主要依赖于水力学模型试验研究成果。近年来,随着计算机计算能力的提高,采用数值模拟来对窄缝消能工进行模拟研究己成为一种新的趋势,利用数值模拟计算和物理模型试验相结合的方法对窄缝消能工的水力特性及消能效果进行研究是今后研究的方向。为了进一步探讨窄缝消能工的水力特性,在收集整理国内外关于窄缝消能研究成果的基础上,以老渡口溢洪道为研究对象,采用物理模型试验与三维数值模拟相结合的研究方法进行了较为深入的研究。物理模型采用1:70水工模型,对不同来流工况下的水力学特性进行了试验分析,得出了有关压力分布、水舌空中形态、下游河床冲刷等水力学特性的基本规律,论证了老渡口溢洪道窄缝消能工体型参数选择的合理性,进一步丰富了窄缝消能工学术领域的研究成果。数学模型采用了RNG k ~ε紊流模型,利用VOF方法追踪自由表面,采用标准六面体结构化网格,利用大型流体力学计算软件Flow3D对老渡口溢洪道进行了三维数值模拟,得到了水面线、压力及流速等水力参数的分布规律,并将数值模拟成果与物理模型试验成果进行了对比分析,其结果基本基本一致。本文主要针对老渡口水电站岸边式溢洪道设计中采用的三种挑坎型式进行了三维数值模拟,通过对比分析总结了三种挑坎的特点,突出了曲面贴角窄缝挑坎水力特性,也为最终方案提供参考依据。同时,为揭示曲面贴角窄缝挑坎复杂的结构特征对过流的影响,选取四个主要参数,每个参数选取四组方案进行对比分析,得出挑坎的四个参数对水舌形态的影响规律。同时对水舌出坎挑角、挑距、扩散消能进行了有益的探讨。研究成果亦表明,采用本文的数学模型对老渡口溢洪道窄缝消能工的水流特性进行数值模拟研究是可行的,其研究工作为用数学模型研究窄缝消能工的水力特性积累了一定的经验,为下一步深入开展窄缝消能工数值模拟研究打下了很好的基础。

论文目录

• 内容摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 挑流消能工简介
• 1.4 窄缝鼻坎的体型特征
• 1.5 研究方法
• 1.6 本文的主要工作
• 2 曲面贴角窄缝挑坎三维数值模拟模型
• 2.1 引言
• 2.2 Flow3D 软件简介
• 2.3 运动控制方程
• 2.4 紊流模型
• 2.5 边界条件和初始条件
• 2.6 自由表面追踪的 VOF 法
• 2.7 数值模型建立和验证
• 3 三种挑坎水舌形态分析
• 3.1 引言
• 3.2 三种挑坎水舌形态分析
• 3.3 三种挑坎水力特性对比分析
• 3.4 曲面贴角水力特性分析
• 4. 曲面贴角窄缝挑坎水力分析
• 4.1 窄缝鼻坎的主要参数值确定
• 4.2 四参数比较分析
• 4.3 流速分析
• 4.4 压强分析
• 4.5 挑角
• 4.6 挑距计算
• 4.7 曲面贴角窄缝挑坎促进消能、减轻冲刷机理的初步探讨
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 后记
• 附录： 攻读硕士学位期间参加的科研项目于发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目