无压隧洞内消能工湍流数值模拟研究

论文摘要

无压隧洞是常见的输水和泄水建筑物,在水利工程中有着广泛的应用。在过流时隧洞中可能会出现明满流交替等一系列对结构安全不利的水流现象,因此,在隧洞进口处合理设置洞内消能工,可有效改善隧洞结构的受力状况及消能效果,同时降低工程造价。清楚的了解隧洞内的水流流态及流场是设计洞内消能工结构的依据与关键。本文结合喀什河吉林台一级水电站引水深孔无压隧洞洞内消能工进行的水工及水力学模型试验,对无压隧洞洞内消能工进行了全面深入的研究。通过比较各种追踪自由面的方法,选择了流体体积法（VOF方法）来模拟自由水面,并与RNG k-ε紊流模型耦合建立了无压隧洞内消能工的水气二相流数学模型。根据不同的运行工况,利用计算流体力学软件FLUENT对无压隧洞洞内消能工的水流流态进行了二维简化数学模型的数值模拟,在求解过程中采用混合结构网格来处理复杂的边界形状;采用了效率较高PISO算法进行计算,在计算过程中进行了相邻校正和偏斜校正,减少了达到收敛所需的迭代次数。数值模拟计算所得到的洞内水流流态、速度场、消能率等与模型实测数据吻合良好,为设计此种深孔无压隧洞洞内消能工的型式提供了合理的参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 水工隧洞内消能工及悬栅消力池研究应用概述
• 1.2.1 隧洞内消能工研究应用概述
• 1.2.2 悬栅消力池研究应用概述
• 1.3 论文背景及研究现状
• 1.4 研究意义
• 1.5 拟解决的关键问题
• 1.6 本文研究的主要内容及方法
• 1.7 小结
• 第二章紊流数学模型与自由表面追踪方法的选择
• 2.1 紊流数值模拟研究概述
• 2.2 几种自由面追踪方法简介
• 2.3 VOF 方法的原理
• 2.4 无压洞内k-ε模型和VOF 方法的耦合
• 2.5 小结
• 第三章 无压洞内水力特性的数值模拟过程
• 3.1 “吉林台”引水隧洞物理模型试验概况
• 3.2 计算网格的剖分
• 3.2.1 网格的概述
• 3.2.2 “吉林台”引水隧洞数值模型网格的剖分
• 3.3 求解器、计算模型及运行环境的选择
• 3.3.1 求解器的选择
• 3.3.2 计算模型的选择
• 3.3.3 运行环境的选择
• 3.4 边界条件的设置
• 3.4.1 边界条件的分类
• 3.4.2 边界条件的选择
• 3.4.3 壁函数法
• 3.4.4 速度进口边界湍流参数的计算
• 3.5 方程的求解
• 3.5.1 方程离散格式的选择
• 3.5.2 压力差值格式的选择
• 3.5.3 压力速度耦合方法的选择
• 3.6 数值计算中的其他问题
• 3.6.1 解的初始化
• 3.6.2 欠松弛因子的讨论
• 3.6.3 解的收敛性与稳定性
• 3.7 小结
• 第四章 “吉林台”引水隧洞内消能工数值模拟结果及分析
• 4.1 原设计方案引水工况下的计算结果分析
• 4.1.1 闸后水跃出流流态计算结果分析
• 4.1.2 闸后洞内明流段水流流态计算结果分析
• 4.2 修改方案引水工况下的计算结果分析
• 4.2.1 闸后水跃出流流态计算结果分析
• 4.2.2 闸后洞内明流段水流流态计算结果分析
• 4.3 修改方案消力池加栅前后引水工况下的计算结果分析
• 4.3.1 加栅前后消能率计算结果分析
• 4.3.2 加栅前后池内水流平抑情况计算结果分析
• 4.3.3 加栅前后池内流场计算结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介