基于多孔介质模型和VOF法的渗流场数值模拟

论文摘要

渗流控制不当是导致大坝发生渗漏、渗透破坏的主要原因,因此,渗流的分析计算对于水工建筑物的安全运行具有十分重要的意义。在一般的研究中,渗流自由面均通过求解渗透水头的拉普拉斯方程,采用逐步逼近的办法确定。而本文则发展了基于多孔介质模型和VOF自由面捕捉技术的渗流计算方法。本文的主要研究内容及成果如下：(1)在回顾现有渗流研究的基础上,发展了基于多孔介质模型和VOF捕捉浸润面的自由渗流计算方法,控制体积法离散数学模型。以均质土坝、地下河槽的渗流场计算为例,对其进行了验证,得到的渗流量、浸润面计算结果和理论解非常吻合。说明应用多孔介质模型和VOF自由面捕捉技术进行渗流计算具有很高的精度,是行之有效的。(2)应用多孔介质模型和VOF法浸润面模拟技术,对含排水廊道矩形坝及含排水系统混凝土重力坝的渗流场进行了数值模拟,取得了与参考文献几乎一样的模拟结果,说明该法应用于模拟诸如含排水孔等复杂渗流场的计算也是可行的。(3)将该法应用于西夏水库库区辐射排渗井的优化设计。根据辐射井设计原则,参照银北灌区辐射井设计情况,结合西夏水库库区的实际特点,提出了辐射井的设计方案。通过对不同辐射井设计方案的渗流量、浸润面、渗透比降等渗流要素的对比分析,选出了合理的设计方案,有效地控制了渗流。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 渗流分析的发展状况
• 1.3 渗流计算的任务、内容和方法
• 1.4 具有自由面的无压渗流分析方法及其发展趋势
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 渗流基本理论
• 2.1 渗流基本概念
• 2.2 渗流基本定律
• 2.3 渗流基本方程式
• 2.4 定解条件
• 3 多孔介质模型与VOF法浸润线模拟
• 3.1 有限体积法的基本原理
• 3.2 有限体积法的基本原则
• 3.3 有限体积软件Fluent简介
• 3.4 多孔介质模型
• 3.5 VOF法追踪浸润线的数学模型
• 3.6 实例验证
• 4 含排水孔模型的渗流场数值模拟
• 4.1 含排水廊道矩形坝
• 4.2 含排水系统混凝土重力坝
• 4.3 小结
• 5 工程应用
• 5.1 工程概况及水文地质资料
• 5.2 研究目的
• 5.3 西夏水库库区辐射井设计
• 5.4 计算模型
• 5.5 计算参数
• 5.6 计算工况及边界条件
• 5.7 计算成果分析
• 5.8 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录