平板闸门小开度水流数值模拟及闸门槽水流特性研究

论文摘要

随着我国水利水电事业的发展,大量高坝大库水电工程得到兴建,高水头下的泄水建筑物水流流速一般都超过30m/s,高速水流易使泄水建筑物表面发生空蚀,而门槽附近也是一个容易遭受空蚀的区域,本文在总结前人研究的基础上,采用标准的κ-ε紊流模型,对二维门槽的流速场、压强分布等进行模拟计算。建立隧洞闸门小开度的三维数学模型,计算了三维门槽的速度场与边壁的压力分布,得到了隧洞洞身段顶部中轴线、底板中轴线、侧墙中线以及闸后中轴线压力、流速场、紊动能和紊动能耗散率等的分布规律,本文所做的主要工作有如下几个方面：采用标准的κ-ε紊流模型,首先对前人的试验结果进行模拟,试验值与计算值比较结果基本吻合,得出所选择数学模型和计算方法的可靠性和正确性,然后模拟了门槽内漩涡的形成过程、不同宽深比门槽的流场及紊动能和紊动能耗散率的分布特点；数值计算了不同宽深比、错距比、圆角比、斜坡比的门槽压强分布特点,通过研究分析,得出较优的门槽体型参数,从而有效地减免门槽空化；建立隧洞闸门小开度的数学模型,采用RNGk-s模型计算了隧洞有压段及闸后明渠段的三维流场,VOF水-气界面追踪方法来处理闸后复杂的自由液面,模拟了三维门槽水流的速度场与边壁的压力分布,得到了隧洞洞身段顶部中轴线、底板中轴线、侧墙中线以及闸后中轴线压力、流速场、紊动能和紊动能耗散率等的分布规律,数值计算结果与试验所测结果进行对比分析,两者基本吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 问题的提出
• 1.3 高水头平板闸门及闸门槽水流特性的研究现状
• 1.4 数值模拟在水利工程中的运用
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 紊流场数值模拟的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 CFD的求解过程
• 2.3 数学模型
• 2.3.1 紊流模型
• 2.3.2 VOF模型
• 2.4 边界条件
• 2.5 离散方法
• 2.5.1 有限差分法
• 2.5.2 有限单元法
• 2.5.3 边界单元法
• 2.5.4 有限体积法
• 2.6 网格生成技术
• 2.7 计算方法
• 2.8 本章小结
• 第三章 高水头隧洞平板闸门门槽水流数值模拟与体型优化
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型的建立
• 3.2.1 计算区域网格的划分
• 3.2.2 边界条件的设定
• 3.3 数值计算结果的验证
• 3.4 门槽流场的特性分析
• 3.4.1 门槽内漩涡的形成过程
• 3.4.2 门槽流场与速度场分布特点
• 3.4.3 门槽流场紊动能与耗散率分布特点
• 3.5 门槽体型优化
• 3.5.1 门槽宽深比的优化
• 3.5.2 门槽圆角比的优化
• 3.5.3 门槽错距比的优化
• 3.5.4 门槽斜坡比的优化
• 3.6 本章小结
• 第四章 高水头隧洞平板闸门小开度的数值模拟与试验对比分析
• 4.1 引言
• 4.2 试验简介
• 4.2.1 模型试验总体布置
• 4.2.2 试验量测与数据采集
• 4.2.3 模型试验工况
• 4.3 数学模型的建立
• 4.4 门槽水流特征分析
• 4.4.1 门槽流态分析
• 4.4.2 门槽壁面压力分析
• 4.5 隧洞压力对比分析
• 4.6 流速场与自由水面线对比分析
• 4.7 隧洞流场紊动能与耗散率分布特点
• 4.8 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 总结
• 5.2 存在的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目