泄洪紊流流场的三维数值模拟

论文摘要

水气二相流是一种极为复杂的水力学现象,使得对其机理研究也十分困难,二相流机理研究是现代流体力学的难点之一。本文应用数值模拟技术,在模型试验的基础上,紧密联系工程实际,进行了如下工作:对黄河河口水电站进行了整体水工模型试验,从原设计方案实验得出枢纽的整体布置是合理的,但也因枢纽体型设计的不合理,存在以下几个问题:冲沙闸左导墙与拦沙坎以折线型式连接,在拐角处绕流水体脱壁,露出混凝土底板,出现无水区,减少了冲沙闸的泄量;冲沙闸不能满足枯水期导流要求,在导流流量为1680.00 m3/s,欠泄了108.50 m3/s;两年一遇洪水下游冲坑较深;冲沙闸在施工导流时闸室末端冲刷严重。针对原设计方案存在的问题,提出了设计修改方案,具体措施如下:将原直线拦沙坎改为曲线,并向上游延伸20m,并将墩头改为椭圆型;将泄洪闸出口由底流消能改成戽流消能工形式;考虑到冲沙闸泄量不够的问题,将冲沙闸进口底板从坝下0+020.50m起以半径为10m的圆弧连接一个1:8的正坡将下游底板高程下降1.88m,在坝下0+030.51处再以半径为10m的圆弧连接下游高程为1544.00m的底板,即将消力池底板高程下降了2.0m,以增加下游水深,提高消力池的消能率;在冲沙闸坝下桩号为0+096.00m处设置了差动式消力坎,以减轻下游冲坑深度。通过对原设计方案的合理修改,基本解决了原方案中所存在的问题。在此基础上,还对两年一遇洪水（Q=3630m3/s）进行了闸门优化开启对比试验,最终得出,4号、6号孔闸门全开结合冲沙闸局开6.0m为最佳方案。在模型试验的基础上,通过Fluent流体计算软件,对黄河河口水电站设计工况洪水（6170m3/s）及两年一遇洪水（Q=3630m3/s）进行了泄洪流场的三维数值模拟。确定了计算区域并划分结构化网格,选取k ?ε紊流模型和VOF方法进行计算,计算得出了泄洪闸、冲沙闸在两种工况下的水面线、闸室内压强及流速分布,将模拟结果用试验资料进行了验证,发现该数学模型可以较为精确的模拟泄洪闸、冲沙闸内部过流的各项水力要素。应用该数学模拟方法,可以为设计工作者提供第一手快捷、准确的成果信息。应用成果信息,使水工设计提高效率和节省费用,并为物理模型试验提供前期预测和指导。为了验证Fluent流体计算软件在其它工程上具有普遍适用性,文章结合刚果桥水电站宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化设施进行了数值模拟研究,将三维数值模拟结果与实验数据进行了对比,计算得出了设计工况下WES溢流坝面、宽尾墩及阶梯坝面的各项水力要素,将计算结果与实验数据对比,两者吻合良好。数值模拟结果表明在第一级台阶垂直面与溢流坝面交接处存在负压,设计工况时时,其值约在-10KPa～-20KPa。实验过程中由于该处未设测压管,没有测出负压值。通过对两个工程数值模拟结果与实验数据的对比分析,验证了本次计算对两个工程所采用的网格划分方法是正确的,计算过程中所选取的数学模型及计算方法是可行的,同时也验证了Fluent软件在水利工程中对紊流模拟具有可行性,在水利工程设计中具有前瞻性和指导性作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 泄洪建筑物水流模拟的发展
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 数学模型的优势
• 1.1.3 数学模型的缺陷
• 1.2 本文研究的方法及内容
• 1.2.2 研究的方法
• 1.2.3 研究内容
• 第二章 紊流模型
• 2.1 紊流的基本方程
• 2.2 紊流的模型理论
• 2.2.1 紊流数值模拟的研究进展
• 2.2.2 时间平均紊流模型理论
• 2.2.3 紊流模型的边界条件
• 2.3 数值计算方法
• 2.3.1 常用的离散方法
• 2.3.2 离散方法的选择
• 2.3.3 压力速度耦合关系的处理
• 2.4 小结
• 第三章 河床式电站泄洪流场试验研究
• 3.1 工程概述
• 3.2 模型设计、制做与测试仪器
• 3.2.1 模型比尺
• 3.2.2 模型制作
• 3.2.3 模型抗冲填料选择
• 3.2.4 试验测量仪器
• 3.2.5 上下游水位控制点
• 3.2.6 测压孔布置
• 3.3 原方案试验成果
• 3.3.1 原方案泄流能力率定
• 3.3.2 闸室上下游流态及流速分布
• 3.3.3 闸室底板压力、水面线
• 3.3.4 下游河道冲淤地形
• 3.3.5 原方案存在在问题
• 3.4 修改方案试验成果
• 3.4.1 修改方案泄流能力率定
• 3.4.2 修改方案冲沙闸泄流试验结果分析
• 3.4.3 冲沙闸局部开启泄流能力率定
• 3/s）优化试验'>3.4.4 枯水期（1680m³/s）优化试验
• 3.4.5 修改方案闸室上下游流态及流速分布
• 3.4.6 修改方案闸室底板压力、水面线
• 3.4.7 下游河道冲淤地形
• 3.4.8 修改方案成果小结
• 3.5 本章小结
• 第四章 河床式电站泄洪流场三维数值模拟
• 4.1 Fluent 软件介绍及求解步骤
• 4.1.1 Fluent 软件简介
• 4.1.2 Fluent 求解步骤
• 4.2 Tecplot 软件介绍
• 4.3 计算域的选定及网格划分
• 4.4 算法及边界条件
• 4.5 流场的初始化
• 4.6 计算结果与试验分析对比
• 4.6.1 三十年一遇洪水
• 4.6.2 两年一遇洪水
• 4.7 本章小结
• 第五章 高坝泄洪水气二相流三维数值模拟研究
• 5.1 概述
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 数学模型的控制方程
• 5.2.2 数值求解
• 5.3 计算区域网格划分及计算条件
• 5.3.1 计算区域网格划分
• 5.3.2 计算条件
• 5.4 数值模拟结果与试验结果的比较
• 5.4.1 闸室水流流态
• 5.4.2 沿程压力分布
• 5.4.3 流速分布
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介