进水口前立轴旋涡水力特性的研究

论文摘要

立轴旋涡在水电站引水管道、导流隧洞、溢洪道、水泵站等进水口前时有发生。它的存在将恶化进口流态,降低过流能力,减少发电量,甚至造成水工建筑物的振动和空化破坏。研究立轴旋涡的水力特性,是认识和消除立轴旋涡的基础。然而迄今为止,针对具体工程的试验研究以及消涡措施较多,理论研究较为欠缺,数值模拟的研究还处于起步阶段,研究成果难以满足工程设计的需要,因此,迫切需要研究立轴旋涡水流现象。本文从理论、试验和数模三个方面,对立轴旋涡多圈螺旋流和漏斗形自由水面等重要水力特性进行了探讨。主要的研究内容和成果有:1、引入可分离变量法的思想,认为立轴旋涡的水力特性既是径向的函数,又是轴向的函数,克服了过去难以反映出轴向上变化的缺陷;并将方程化为数学上可解的一阶拟线性偏微分方程,特征线法的引入,又转化为常微分方程组联解,推导出了速度的解析解以及水面线方程。以本文解析解为基础,采用拉格朗日法计算描述出试验中观测到的立轴旋涡多圈螺旋流。2、立轴旋涡属强非线性的水、气两相流问题,数值模拟的难度大,缺乏可供参考的成功算例。本文对结合VOF法的RNG和标准k -ε紊流模型进行了比选;通过流场紊动能、紊动耗散率和紊动粘性系数的模拟,分析了它们对立轴旋涡生成、发展的影响;结果表明:要模拟立轴旋涡运动这种高应变率、流线弯曲程度较高的水流现象,RNG较标准k -ε模型更为

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概述
• 1.1 立轴旋涡的类型
• 1.2 立轴旋涡对水利工程的影响
• 1.2.1 立轴旋涡的危害
• 1.2.2 立轴旋涡的利用
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 立轴旋涡的理论研究
• 1.3.2 立轴旋涡的试验研究
• 1.3.2.1 比尺效应的研究
• 1.3.2.2 试验测量方法
• 1.3.3 立轴旋涡的数值模拟研究
• 1.4 主要研究成果
• 1.4.1 影响立轴旋涡形成和发展的主要因素
• 1.4.1.1 临界淹没水深
• 1.4.1.2 临界雷诺数和临界韦伯数
• 1.4.1.3 柯氏力对旋涡运动的影响
• 1.4.1.4 边界条件和水流环量
• 1.4.2 消涡工程措施
• 1.5 立轴旋涡研究的意义
• 1.6 本文研究的内容和方法
• 1.7 本章小结
• 2 立轴旋涡的理论研究
• 2.1 立轴旋涡运动的基本方程
• 2.1.1 柱坐标系下的基本方程
• 2.1.2 定常轴对称旋涡运动方程
• 2.2 研究的思路
• 2.2.1 过去的研究成果
• 2.2.2 存在的问题
• 2.2.3 立轴旋涡流场的物理特性
• 2.2.4 立轴旋涡的变量分离
• 2.2.4.1 分离变量法的物理意义
• 2.2.4.2 立轴旋涡与驻波的比较
• 2.3 理论研究进展
• 2.3.1 分离变量法在立轴旋涡理论分析中的应用
• 2.3.1.1 可分离变量表达式
• 2.3.1.2 特征线法求解
• i（r） 和ψ_i （z）'>2.3.1.3 函数式φ_i（r） 和ψ_i（z）
• 2.3.2 无量纲水面线方程的推导
• 2.4 理论与试验的对比分析
• 2.4.1 立轴旋涡多圈螺旋流
• 2.4.2 立轴旋涡速度对比
• 2.4.3 无量纲水面线的描述
• 2.4.4 新公式与过去公式的对比
• 2.5 立轴旋涡流场分析
• 2.5.1 径向平面上的速度分布
• 2.5.2 轴向平面上的速度分布
• 2.6 本章小结
• 3 立轴旋涡的试验研究
• 3.1 试验装置及量测方法
• 3.1.1 试验装置
• 3.1.2 试验量测方法
• 3.2 立轴旋涡发生规律的研究
• 3.2.1 模拟规律及比尺效应问题
• 3.2.2 影响旋涡形成的参数及其因次
• 3.2.3 临界淹没水深公式的推导
• 3.3 试验研究成果
• 3.3.1 底部进水口的旋涡发生规律
• 3.3.2 侧部进水口的旋涡发生规律
• 3.3.3 临界淹没水深的经验公式
• 3.4 本章小结
• 4 立轴旋涡的数值模拟研究
• 4.1 立轴旋涡数值模拟的难点
• 4.2 采用的紊流模型及数值求解方法
• 4.2.1 紊流模型的发展及自由表面追踪法
• 4.2.2 RNG和标准k- ε紊流模型的区别
• 4.2.3 数值求解方法
• 4.3 RNG和标准k- ε模型的比选分析
• 4.3.1 计算模拟区域
• 4.3.2 边界条件设定
• 4.3.3 模拟结果的对比分析
• 4.3.3.1 自由水面的变化
• 4.3.3.2 紊动能的变化
• 4.3.3.3 紊动耗散率的变化
• 4.3.3.4 紊动粘性系数的变化
• 4.3.3.5 小结
• 4.4 本章小结
• 5 不同来流条件下的模拟成果
• 5.1 底部进水口、轴对称来流
• 5.1.1 多圈螺旋流
• 5.1.2 速度分布
• 5.1.3 水面线
• 5.2 底部进水口、非轴对称来流
• 5.2.1 旋涡形态
• 5.2.2 流场分布
• 5.2.3 压力分布
• 5.3 侧部进水口的计算成果
• 5.3.1 CFD 模型
• 5.3.2 旋涡形态
• 5.3.3 流场分布
• 5.3.4 压力分布
• 5.4 本章小结
• 6 水电站进水口水流流态的研究
• 6.1 工程概况及研究方法
• 6.2 模型试验和数值模拟
• 6.2.1 模型相似律及比尺
• 6.2.2 CFD模型及边界条件设定
• 6.3 研究结果及分析
• 6.3.1 进水口水流流态的观测
• 6.3.2 进水口前缘流场测量与计算的对比
• 6.3.3 断面流速度分布
• 6.4 本章小节
• 7 结束语
• 参考文献
• 主要符号表
• 作者在读期间发表论文及参加科研的情况
• 致谢