长距离输水隧洞水力特性数值模拟研究

论文摘要

调水是解决水资源时空分布不均的最重要和有效的方式。目前,世界上己经兴建了许多跨流域的长距离调水工程。由于长距离调水工程沿途地形、地质条件多变,加上经济和技术等因素的制约,调水工程往往不是采用单一的有压或无压引水形式,更多的是采用明渠和有压管道相结合的形式,输水形式越来越复杂,因此研究其水力特性变得越来越重要。本文是在阅读大量国内外文献资料和总结前人研究成果的基础上,运用非恒定流和紊流基本理论知识,结合某工程分别建立了一维和三维计算模型,模拟分析长距离输水隧洞的水力特性。（1）建立了求解管渠结合输水形式的一维数学模型。采用Saint-Venant方程组同时描述隧洞有压流动和无压流动,对有压流动采用窄缝法求解,研究了隧洞在各级输水流量下发生有压流动变为无压流动的位置及明渠均匀流的水深,分析了隧洞全程的压坡线和水面线,并且对糙率的敏感性进行了分析。（2）建立了求解隧洞有压变无压过渡段的三维数学模型。利用标准k ?ε紊流模型,研究了该段隧洞有压流动变无压流动的位置、水流流态和明渠均匀流的水深。（3）尝试采用一维和三维数值模拟联合求解的方法分析某输水隧洞工程全线水力特性。即采用一维数值模拟结果为隧洞有压流变无压流过渡段的三维数值模拟提供边界条件,过渡段的三维数值模拟结果再为上游段有压流和下游段明流的一维数值模拟提供边界条件,相互结合对输水隧洞全程进行模拟分析。通过分析和试验结果证明,该方法是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外调水工程
• 1.2.1 国外调水工程
• 1.2.2 国内调水工程
• 1.3 国内外相关理论研究现状
• 1.3.1 国外非恒定流研究状况
• 1.3.2 国内非恒定流研究状况
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第二章 非恒定流基本控制方程和计算方法
• 2.1 有压管道非恒定流数值模拟研究
• 2.1.1 有压管道非恒定流基本方程
• 2.1.2 有压管道非恒定流求解方法
• 2.2 明渠非恒定流的数值模拟研究
• 2.2.1 明渠非恒定流基本方程
• 2.2.2 明渠非恒定流求解方法
• 2.3 小结
• 第三章 长距离输水隧洞全线一维数值模拟
• 3.1 Preissmann窄缝法原理及求解方法
• 3.2 长距离输水隧洞全线数值模拟实例计算
• 3.2.1 工程概况
• 3.2.2 计算工况及边界条件
• 3.2.3 一维模拟计算结果
• 3.3 一维数值计算糙率敏感性分析
• 3.4 传统水力学方法分析恒定流水面线
• 3.5 一维数值模拟结果分析
• 3.6 小结
• 第四章 长距离输水隧洞有压变无压过渡段三维数值模拟
• 4.1 紊流模型和数值计算方法
• 4.1.1 控制方程
• 4.1.2 求解方法
• 4.2 计算区域及边界条件
• 4.3 有压变无压过渡段三维数值模拟
• 4.4 三维数值模拟结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 长距离输水隧洞全线水力特性
• 5.1 求解方法
• 5.2 全线计算结果及分析
• 5.3 数值模拟结果的试验验证
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢