溢洪道泄洪消能试验和数值模拟研究

论文摘要

我国绝大多数水库修建于20世纪50至70年代,受当时客观条件限制,不少水库设计和施工质量”先天不足”,现在工程设施老化失修严重,大量水库存在安全隐患,因此除险加固工程迫在眉睫。本文针对水库除险加固溢洪道工程泄洪消能水力特性进行研究。利用计算流体动力学软件Fluent为模拟平台,选用k-ε紊流模型和两相流VOF模型模拟自由水面,对卧虎山水库溢洪道工程三维水流消能进行了模拟研究,并与水工模型试验结果作了对比分析,选择了优化的溢洪道工程消能方案。主要的内容和研究成果有：（1）通过模拟整个溢洪道水域,得到了溢洪道泄流能力、水面线、堰面压力及流速分布等水力特性的相关数据,并且与物理模型试验的结果吻合良好,这说明模拟计算中所采用的标准k-ε紊流模型与两相流VOF模型对于模拟泄槽内水流流态是可行的。（2）溢洪道控制段采用的堰型与泄流能力的大小相关。驼峰堰因其堰低、流量系数大等特点而被采用。经过数值模拟可知驼峰堰堰面压力分布呈“马鞍型”,堰面压力分布符合急变流动水压强的分布特点。由于驼峰堰属于低堰,水流流经堰面时纵向收缩不完全,因此水舌较厚,堰面压力较大,无负压产生。（3）对消能进行了深入的研究。首先是消能段紊流模型的选择,对于精确模拟水流尤其是弯曲流线的水流紊流模型的选择十分重要,紊流模型适用性分析的结果表明在水流经过弯道时,采用Realizable k-ε紊流模型比标准k-ε紊流模型适用性更好,更能够精细的模拟水流运动。其次是消能段位于弯道附近的问题,消力池的右岸由于弯道的作用存在漩涡区和回流区,对于过流造成影响,通过加导流墙的方式有效的改善了不良流态,使得底流消能效率较为理想。最后是挑流消能的数值模拟,采用与底流消能相同的模型,模拟结果较好。（4）对比两种消能方式,首先是消能效率的对比,挑流消能在不同泄流量情况下的消能效果均较好,而底流消能小流量下消力池效果较好,大流量下消能效果差；其次是对周围河床及建筑物的危害程度的对比,挑流消能大量能量在空中和冲坑内消杀,尾水流态对下游危害较小,而底流消能在大流量下对河床的冲刷作用大,且消力池内存在漩涡和回流,需要修建辅助的导流墙进行改善；从工程量方面对比,挑流消能需要的挑坎结构简单,便于施工,工程量较小,而消力池的开挖等需要的工程量较大。以卧虎山水库溢洪道除险加固消能方案为例,通过对比分析认为该溢洪道挑流消能方式更为合适,消能效率高且尾水流态对下游危害较小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 泄洪消能研究现状
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 泄洪形式研究现状
• 1.2.3 消能形式研究现状
• 1.3 泄洪建筑物数值模拟的发展
• 1.3.1 数值模拟的工程研究意义
• 1.3.2 溢洪道紊流模型的研究进展
• 1.3.3 自由表面问题的数模研究方法
• 1.4 本文的研究内容和技术路线
• 第二章 紊流数值模拟的理论与方法
• 2.1 计算流体动力学概述
• 2.2 方程离散及求解方法
• 2.2.1 基本控制方程
• 2.2.2 离散化方法概述
• 2.2.3 压力-速度耦合算法
• 2.3 湍流模型和自由追踪方法
• 2.3.1 湍动模型
• 2.3.2 近壁区使用k-ε模型的问题
• 2.3.3 自由表面追踪
• 第三章 溢洪道水力特性研究
• 3.1 概述
• 3.2 物理模型试验
• 3.3 溢洪道数学模型
• 3.3.1 几何模型
• 3.3.2 网格划分
• 3.3.3 边界条件及初始条件设置
• 3.4 结果分析
• 3.4.1 溢洪道泄流能力分析
• 3.4.2 水面线数据的对比分析
• 3.4.3 流态及流速分布分析
• 3.4.4 堰面压力分布
• 3.5 小结
• 第四章 底流及挑流消能数值研究
• 4.1 消能方式概述
• 4.2 底流消能数学模型
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 边界条件
• 4.2.4 紊流模型适用性分析
• 4.3 底流消能结果分析
• 4.3.1 消力池水面线分析
• 4.3.2 底板压强分析
• 4.3.3 消力池紊动能和耗散率的变化分析
• 4.3.4 消力池内流场分析
• 4.3.5 底流消能改进方案研究
• 4.4 挑流消能
• 4.4.1 数学模型
• 4.4.2 结果分析
• 4.5 消力池消能与挑流消能效率对比
• 4.5.1 底流消能效率分析
• 4.5.2 挑流消能效率分析
• 4.6 小结
• 第五章 结语
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文
• 学位论文评阅及答辩情祝表