涵闸出流水力特性试验研究及数值模拟

论文摘要

涵闸是常见的水利工程基础设施,在灌溉、排涝、防洪等方面有着极其重要的地位。相对于普通的水闸,涵闸在水力计算和结构计算中需要考虑更多因素。因此,研究涵闸水流水力特性对涵闸的设计、运行与科学管理并发挥其正常效能都具有十分重要的意义。本文采用水工模型试验方法,对涵闸洞内、消力池以及下游河道流态进行观测分析,并基于计算流体动力学商用软件FLUENT平台,采用RNGκ-ε紊流模型和VOF方法,对涵闸出流水力特性进行数值模拟。本论文的主要研究内容和取得的成果如下：（1）通过水工模型试验,得出了闸门运行控制条件和过闸流量特性,试验表明过闸流量与闸门相对开度基本成线性关系。（2）由于涵洞坡度较大,在各种水位组合和闸门开度条件下,涵洞内多数情况下属明渠流,而洞内水跃位置则取决于下游水位和过闸流量。试验结果显示,当下游水位降低或过闸流量增大时,水跃发生位置也随之远离洞口。在大中流量低水位时,消力池内容易形成偏流和回流,并影响消力坎后河道流态,但至下游直段河道后,流速分布趋于均匀,水流基本平稳。（3）通过优化设计,在涵洞内加设阻水坎,从而使得洞内水深有效增加,水流速度降低,水跃位置得到调整,改善了涵洞内流态和出口水流条件。（4）涵闸水流的数值模拟结果与模型试验结果的比较表明,流速和压力分布在总体趋势上相吻合。通过对水跃的相关参数的计算,并与模型试验值进行分析比较,计算值与试验实测值存在一定的误差,但相差并不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究目的及意义
• 1.2.1 涵闸的结构特点
• 1.2.2 涵闸水力计算中应关注的问题
• 1.2.3 涵闸下游冲刷问题及成因
• 1.2.4 涵闸水流的研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 理论分析
• 1.3.2 试验研究
• 1.3.3 数值模拟
• 1.4 研究方法及内容
• 第二章 涵闸水流特性试验研究
• 2.1 工程概况
• 2.2 试验研究内容
• 2.3 模型设计及测试方法
• 2.3.1 模型律及模型参数
• 2.3.2 模型制作及系统布置
• 2.3.3 测试设备及方法
• 2.4 试验结果及分析
• 2.4.1 闸门开度和流量关系
• 2.4.2 闸孔进口流量系数
• 2.4.3 涵洞内流态观测与分析
• 2.4.4 消力池及下游河道流态观测与分析
• 2.4.5 各工况流态比较
• 2.4.6 跃长、跃后水深计算及分析
• 2.5 修改方案试验结果及分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 涵闸水流的紊流数值模拟
• 3.1 控制方程
• 3.1.1 基本方程
• 3.1.2 紊流模型
• 3.2 边界条件
• 3.2.1 流动进口边界条件
• 3.2.2 流动出口边界条件
• 3.2.3 自由液面
• 3.2.4 壁面边界条件
• 3.3 初始条件
• 3.4 方程的求解
• 3.4.1 计算区域的离散化
• 3.4.2 控制方程的离散
• 3.4.3 压力-速度耦合算法
• 3.5 模型构建及网格剖分
• 3.6 本章小结
• 第四章 数值模拟与试验结果分析与比较
• 4.1 数值模拟结果及分析
• 4.1.1 流态分析
• 4.1.2 速度场及相关分析
• 4.1.3 压力场分析
• 4.2 数值模拟结果与试验结果比较
• 4.2.1 水跃发生位置及水跃跃长的比较
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢