水平旋流内消能泄洪洞水力特性的数值模拟

论文摘要

目前,高坝的泄水建筑物具有水头高、流量大等特点,其泄洪消能方式多采用内消能工,水平旋流内消能工作为其中的一种,以前多采用模型试验对其研究,数值模拟研究一直未见报导。本文通过分析模型试验成果,理解并基本掌握了各水力特性的物理概念之后,应用数值模拟技术,采用大型通用流体计算软件,探讨了水平旋流内消能工的网格划分方法、紊流模型选取、边界条件的合理设置和数值耗散的影响,研究了其可行性。采用Realizableκ-ε紊流模型和自由表面追踪技术VOF法实现了数值模拟,得到了旋转水流的各项水力参数,模拟和再现了模型试验成果。并在此基础之上:（1）以试验所测的壁面压力为依据,验证了数值模拟的效果,探讨了水平洞内的压强分布规律,水平洞内压强梯度沿程逐渐减小;（2）计算分析了水平旋流洞中水流运动的轴向、切向和径向速度,得出了水流流动为准自由涡运动的分布规律,计算得到了旋流夹角的沿程变化规律;（3）计算分析了紊动能和耗散率的沿程变化规律,验证了水平旋流的高消能率,进一步证明其作为新型消能工的优势。（4）使用不同紊流模型进行计算,结合试验研究,详细比较了各种紊流模型的壁面压力,旋流夹角和消能率的差别,得出了Realizableκ-ε紊流模型更适合模拟该消能工的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 立题依据
• 1.2 本文研究的背景
• 1.3 旋流式消能工的形式及特点
• 1.4 旋流式消能工的研究状况
• 1.4.1 试验研究及应用
• 1.4.2 旋流数值模拟研究
• 1.5 本文的研究内容和意义
• 1.5.1 本文的研究内容
• 1.5.2 本文研究的意义
• 2 旋流内消能泄洪洞的模型试验与成果分析
• 2.1 水平旋流泄洪洞的基本体型与模型试验研究
• 2.2 旋流泄洪洞的试验成果概述与分析
• 2.2.1 旋流内消能泄洪洞的流态
• 2.2.2 泄流量
• 2.2.3 壁面压力
• 2.2.4 旋流空腔直径
• 2.2.5 通气孔通风量
• 2.2.6 旋流夹角
• 2.3 本章小结
• 3 紊流数值模拟理论和计算方法概述
• 3.1 紊流数值模拟方法介绍
• 3.2 数值离散方法
• 3.2.1 有限差分法
• 3.2.2 有限单元法
• 3.2.3 有限体积法
• 3.2.4 边界单元法
• 3.2.5 有限分析法
• 3.3 流场数值计算方法
• 3.3.1 SIMPLE算法
• 3.3.2 SIMPLER、SIMPLEC和PISO算法及比较
• 3.4 边界条件及近壁处理
• 3.4.1 边界条件
• 3.4.2 近壁面处理
• 3.5 自由水面处理
• 3.6 网格的生成
• 3.6.1 网格类型
• 3.6.2 网格质量
• 3.7 应用的商业软件
• 3.8 本章小结
• 4 水平旋流内消能泄洪洞水力特性数值模拟的网格、数学模型及计算方法的探讨
• 4.1 数值模拟在水利水电工程中的应用简介
• 4.3 划分计算网格
• 4.4 紊流模型
• 4.5 边界条件的选取
• 4.5.1 进口边界确定
• 4.5.2 出口边界确定
• 4.6 壁面函数的选取
• 4.7 数值耗散的影响
• 4.7.1 一阶迎风格式的计算成果
• 4.7.2 二阶迎风格式的计算成果
• 4.7.3 QUICK格式的计算成果
• 4.8 本章小结
• 5 水平旋流内消能泄洪洞水力特性的数值模拟
• 5.1 控制方程及其参数
• 5.2 网格划分、边界条件及算法
• 5.2.1 网格的划分
• 5.2.2 边界条件及算法
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 水流流态与自由水面
• 5.3.2 压强分布规律
• 5.3.3 速度分布规律
• 5.3.4 旋流夹角变化规律
• 5.3.5 紊动能与耗散率
• 5.3.6 消能率估算
• 5.4 本章小结
• 6 不同紊流模型计算成果比较
• 6.1 控制方程及其参数
• 6.1.1 RNGk-ε紊流模型
• 6.1.2 雷诺应力模型
• 6.2 网格、边界条件和算法
• 6.3 流态和自由水面的比较
• 6.4 压强分布规律比较
• 6.4.1 竖井段的压力比较
• 6.4.2 起旋器段的压力比较
• 6.4.3 水平旋流洞的压力比较
• 6.5 旋流夹角的比较
• 6.6 消能率比较
• 6.7 本章小结
• 7 全文总结与研究展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 进一步研究的内容
• 致谢
• 参考文献
• 附录