带有掺气挑坎的台阶式溢洪道的三维数值模拟

论文摘要

台阶式溢洪道利用台阶的粗糙度与水流在台阶内的强烈旋滚产生较高的消能率,但同时大的不平整度却增加了壁面发生空蚀破坏的可能性。为避免溢洪道的空蚀破坏而增加的掺气设施是台阶式溢洪道研究的重要课题。为此,本文在台阶首部设置掺气挑坎,利用掺气挑坎来掺气减蚀,这对台阶式溢洪道的应用具有重要意义。本文采用结构与非结构网格相结合的划分方式,RNG k-ε双方程紊流模型与VOF模型相结合的计算方法。通过三维数值模拟,得到了带有掺气挑坎的台阶式溢洪道上水流的水力特性。研究内容主要包括：台阶式溢洪道在不同时刻、不同工况下的水面线；流速等值线分布和断面分布；台阶水平面、铅直面和沿程的压强分布；紊动能和紊动耗散率的局部、沿程分布；八种工况消能率的对比分析；掺气空腔长度、通气孔通气量的计算等。研究表明,当水流流过掺气挑坎时水面被抬高,挑射出去的水舌越过几级台阶回落到坝面上时,与台阶相碰撞,形成收缩断面,同时水流反弹,水面线回升。随后,水流在每一级台阶上都有一个沿顺时针方向旋转的漩涡,漩涡上部为流动方向与虚拟底板平行的滑移主流,水流逐渐调整为纯台阶式溢洪道的水流流态。台阶式溢洪道上水流的流速在漩涡中心处趋近于零,向四周逐渐增大,但小于滑移主流的流速。在凸角连线形成的虚拟底板以上,主流流速沿着溢洪道的外法线方向逐渐增大,但增大的过程比较平缓,在增加到最大值以后,断面流速又略有减小台阶式溢洪道上压强的分布规律：水平面从凹角到凸角方向压强先减小到极小值,然后逐渐增大到最大值,在临近凸角处,又有所降低,在个别台阶水平面上存在负压。台阶铅直面底部有最大正压,越向上压强越小,距台阶底部相对高度0.7-0.8倍处压强趋近于零,最小负压值出现在距台阶底部相对高度约0.85-0.95倍处。压强沿程呈波浪形分布。正是由于在台阶面上存在负压,才有可能导致台阶式溢洪道发生空蚀破坏,因此,给台阶式溢洪道掺气减蚀是非常重要的。台阶内的紊动能有一个最大值区域,位于虚拟底板连线的中部。紊动耗散率有三个极大值区,分别位于水平面和铅直面的凸角附近以及滑移主流和漩涡流的交界面处,其中台阶水平面的凸角附近是紊动耗散率的最大值区。计算表明,同光滑溢洪道相比,台阶式溢洪道的消能率增加了46.9-65.4%。在台阶式溢洪道上增设掺气挑坎以后,坝面上形成一段空腔区。空腔长度的计算值与实测值非常接近,都随着上游水头的增大而减小,随着坡度的增大而增大。但是,通气孔通气量的计算值和实测值还有较大的差异,仍需进一步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究台阶式溢洪道的理论意义及现实意义
• 1.2 国内外台阶式溢洪道水力特性的研究现状
• 1.2.1 台阶式溢洪道坝面消能的研究
• 1.2.2 台阶式溢洪道坝面掺气的研究
• 1.2.3 台阶式溢洪道坝面时均压强和脉动压强的研究
• 1.3 数值模拟在水利工程中的应用现状
• 1.4 台阶式溢洪道研究中存在的主要问题
• 1.5 本文研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 紊流数值模拟理论
• 2.1 紊流模型及控制方程
• 2.1.1 紊流的基本方程
• 2.1.2 紊流的数值模拟方法简介
• 2.1.3 零方程模型
• 2.1.4 单方程模型
• 2.1.5 双方程模型
• 2.1.6 Reynolds应力模型
• 2.2 数值离散方法
• 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 流场计算方法概述
• 2.3.2 SIMPLE算法
• 2.3.3 PISO算法
• 2.4 自由表面的处理
• 2.5 本章小结
• 3 带有掺气挑坎的台阶式溢洪道的三维数值模拟
• 3.1 建立几何模型
• 3.2 划分计算网格
• 3.3 选择计算模型及求解器类型
• 3.4 设定边界条件
• 3.5 流场初始条件
• 3.6 求解计算
• 3.7 本章小结
• 4 三维数值模拟计算结果与分析
• 4.1 台阶式溢洪道的自由水面线
• 4.1.1 台阶式溢洪道不同时刻的自由水面线
• 4.1.2 台阶式溢洪道的水流流态
• 4.1.3 台阶式溢洪道不同工况的自由水面线
• 4.1.4 计算结果与试验结果的对比
• 4.2 台阶式溢洪道的流速场
• 4.2.1 流速矢量分布
• 4.2.2 流速等值线分布
• 4.2.3 断面流速分布
• 4.3 台阶式溢洪道的压强场
• 4.3.1 台阶式溢洪道压强等值线分布
• 4.3.2 单个台阶水平面的压强分布
• 4.3.3 单个台阶铅直面的压强分布
• 4.3.4 台阶水平面压强的沿程分布
• 4.3.5 台阶铅直面压强的沿程分布
• 4.4 台阶式溢洪道的消能
• 4.4.1 单个台阶紊动能和紊动耗散率的分布规律
• 4.4.2 紊动能和紊动耗散率的沿程分布规律
• 4.4.3 溢洪道的消能率
• 4.5 台阶式溢洪道的掺气
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录