大坝出闸段水流计算机模拟的应用研究

论文摘要

近年来,随着计算机性能的提高和数值计算方法的改进,CFD（computational fluid dynamics）技术得到了飞速的发展。很多通用的商业化水流流动计算软件相继问世,并在大坝出闸门段水流流动模拟中得到了应用,且已经成为目前工程内部研究水流特性的主要工具。其中,以FLUENT软件的功能最全面,适用性也最广。本文在阅读大量文献的基础上,应用计算流体力学软件FLUENT对大坝出闸段水流进行计算机模拟,主要研究成果归纳如下:（1）简述了开展大坝出闸段水流计算机模拟的意义,并对计算机模拟和FLUENT在水利工程中的应用与发展状况进行了综述。（2）对FLUENT软件及其应用进行了主要介绍,同时还介绍了广泛用于CFD中的有限体积法的基本步骤和求解流速、压强等耦合方程的扩展SIMPLE方法。（3）利用FLUENT前处理软件GAMBIT建模、FLUENT求解器进行计算,并采用标准κ-ε紊流模型和混合模型为基础的数值模型进行数值计算,研究了二维平面大坝出闸段水流的流动特性,包括流速和压强分布规律。同时,研究了在各种体型闸门下的大坝出闸段水流的流动特性,通过比较,得到了大坝闸门的合适体型,即采用椭圆曲线的大坝闸门能明显提高大坝出闸段的抗空化性能。计算机模拟得到的结果和前人的研究较为吻合,表明FLUENT软件对复杂紊流特性的计算是适用的。（4）结合吉林台一级水电站深孔泄洪洞的进口段的具体工程,对大坝出闸段水流进行了三维建模计算,通过计算机模拟得到的计算结果和试验量测结果基本一致,并得到了三维大坝出闸段水流的流速分布和压强分布规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 计算机模拟在水利工程中的应用现状
• 1.3.2 FLUENT 软件在水利工程中的应用现状
• 1.3.3 大坝出闸段水流基本特性及影响因素
• 1.4 研究方法及主要研究内容
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 主要研究内容及创新点
• 2 FLUENT 软件介绍与应用
• 2.1 引言
• 2.2 GAMBIT 简介
• 2.3 FLUENT 解算器简介
• 2.4 FLUENT 求解器简介
• 2.5 FLUENT 在本论文研究中的应用
• 3 计算机模拟的基本理论与方法
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型的建立
• 3.2.1 紊流模型
• 3.2.2 空化模型
• 3.3 边界条件
• 3.3.1 边界条件概述
• 3.3.2 流动进口边界条件
• 3.3.3 流动出口边界条件
• 3.3.4 壁面条件
• 3.4 数值离散方法
• 3.4.1 有限体积法使用的网格
• 3.4.2 有限体积法的应用过程
• 3.4.3 离散方程的求解策略
• 3.5 本章小结
• 4 平面二维大坝出闸段水流计算机模拟
• 4.1 引言
• 4.2 网格的划分和边界条件的设定
• 4.3 计算机模拟结果的验证
• 4.4 大坝闸门口段漩涡的产生过程的模拟
• 4.5 大坝出闸段空化特性的影响因素研究
• 4.5.1 宽深比（W/D）对大坝出闸段水流空化的影响
• ①流场
• ②压强分布
• 4.5.2 错距比（Δ/W）的影响
• 4.5.3 圆角比（R/W）的影响
• 4.5.4 斜坡坡度（△/X）的影响
• 4.6 大坝出闸段体型优化
• 4.7 本章小结
• 5 实例分析——三维水流计算机模拟
• 5.1 引言
• 5.2 吉林台一级水电站深孔泄洪洞概况和物理模型试验
• 5.3 三维数学模型的建立和验证
• 5.3.1 计算区域的定义和网格剖分
• 5.3.2 边界条件的设定
• 5.3.3 计算方法
• 5.3.4 数学模型和物理模型结果的比较
• 5.4 大坝出闸段附近计算机模拟的水流特征分析
• 5.4.1 大坝出闸段水流的流态分析
• 5.4.2 大坝出闸段壁面压强分布
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录