平坦V形堰过流特性数值模拟研究

论文摘要

在农业节水灌溉各项技术的推广应用中,灌区量水是一项基础的、关键性的技术,是灌溉用水管理的基本条件。随着节水农业的发展和水价制度的改革,研究结构简单、精度高的渠道流量测量装置具有重要的意义。平坦V形堰结合了三角剖面堰和三角薄壁堰的优点,具有结构简单、过流平顺、测流精度高的优点。本文依托国家科技支撑计划项目（2006BAD11B04）和国家自然科学基金项目（50879072）对平坦V形堰的测流原理进行了分析,并在对数值模拟方法进行严谨分析选择的基础上,对平坦V形堰进行数值模拟。主要得到一下结论:（1）通过对比选取不同堰前渠道长度进行模拟所得的结果,得出了随着堰前渠道选取长度的增加,模拟结果水位逐渐趋于稳定,因此我们需要在保证结果水位在一定程度上接近稳定值的情况下,选取适当的计算域,节约运算时间。本文通过比选,得出堰前取12m长度渠道比较适合本文中平坦V形堰模型的数值模拟。（2）通过对比采用不同大小网格划分计算域所得到的模拟结果,得出了当网格减小到一定程度时,模拟计算结果的精度提高有限,而计算时间却大大增加。因此需要在满足精度要求的情况下选取适当的网格大小以缩短计算时间。本文通过比较,采用0.2m大小的网格并在量水堰部加密的方法,保证了运算的精度,并节约一定的运算时间,提高运算效率。（3）通过对采用不同紊流模型模拟所得结果的比较,得出了在平坦V形堰的数值模拟中,用Standardk -ε紊流模型计算结果误差稍大于用Realizablek -ε紊流模型和用RNGk -ε紊流模型计算所产生的误差。同时,考虑到修正的RNG k -ε紊流模型能较好处理对流线弯曲程度较大的流动,因此本文采用RNG k -ε紊流模型进行后续模拟计算。（4）针对平均流速入口设置的模拟中,水位由流速入口开始会逐渐下降,且横截面流速分布随着水流的推进会变得越来越不均匀的情况,从能量的角度进行分析,我们得出了水位下降的原因是因为流速分布均匀的入口的断面动能,低于流速非均匀分布的断面动能,而在流速调整为非均匀分布的过程中,随着动能的增加,势能必然减小,水位自然会降低。为以后的改进计算,提高渠道模拟精度,提供了一定的思路。（5）在对平坦V形量水堰的数值模拟中,采取采用RNGk-e紊流模型;VOF方法追踪自由水面线采;PISO求解方法,通过对采用不同水位进行数值模拟所得的水面线与初始值对比,发现该方法能够基本准确模拟水流通过矩形渠道平坦V形量水堰时的三维水流特性,可以为实验室平坦V形量水堰测流设计和野外量水设施率定提供可靠的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 灌区量水的目的和意义
• 1.2 灌区量水的方法研究现状
• 1.2.1 水工建筑物量水
• 1.2.2 特设量水设备量水
• 1.2.3 流速仪量水
• 1.2.4 仪表类流量计量水
• 1.2.5 水面浮标量水
• 1.3 数值模拟研究现状
• 1.3.1 数值模拟发展简介
• 1.3.2 三维水流数值模拟研究进展
• 1.4 平坦V 形堰数值模拟研究概述
• 第二章 数值模拟计算方法
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 紊流数值模拟方法
• 2.3 雷诺平均法
• 2.4 紊流涡粘模型
• 2.4.1 标准k- ε模型
• 2.4.2 RNG k- ε模型
• 2.4.3 Realizablek- ε模型
• 2.5 壁面函数法
• 2.6 控制方程的求解方法
• 2.6.1 控制方程的离散化
• 2.6.2 离散方程组的数值解法
• 2.7 水气二相流VOF 法
• 2.8 本章小结
• 第三章 平坦V 型堰测流原理
• 3.1 二维三角剖面堰简介
• 3.2 三角薄壁堰简介
• 3.3 平坦V 形堰测流原理
• 第四章 平坦V 型堰数值模拟
• 4.1 数值模拟基本模型和方法的选取
• 4.1.1 计算域的选择
• 4.1.2 初始及边界条件
• 4.1.3 网格划分
• 4.1.4 紊流模型的选取
• 4.2 平坦V 形堰数值模拟
• 4.3 数值模拟结果分析
• 4.3.1 水位
• 4.3.2 横断面流速分布
• 4.3.3 平均流速入口对水位影响分析
• 4.3.4 流线
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介