虹吸式灌排水系统水力特性研究

论文摘要

虹吸式流道因不设阀门,启动和断流简单迅速,防冰防沙,且基本不做维修维护等优点,在电站取水口、溢洪道、泵站工程、船坞灌排水工程中运用越来越广,尤其是近年来,船泊大型化对修、造船坞设计要求的提高,也使得船坞越来越多的采用虹吸灌水方式。虹吸式流道因弯曲程度大,其水力学特性复杂,突出问题是:急剧的转弯使驼峰处存在严重负压。船坞虹吸灌水对有些参数要求更高,如灌水时间、驼峰断面负压、流道流态等,这给虹吸灌水流道的设计提出了更高的要求。本文针对山东威海造船厂拟建10万吨修船坞和5万吨造船坞工程中虹吸灌排水系统原设计方案及优化方案,进行了水力模型试验研究,并采用紊流数值模拟方法,对虹吸式灌水流道内的三维流动进行了数值计算。模型按重力相似准则设计,采用正态模型,模型几何比尺λl=20。（1）灌水系统。首先对设计方案进行了试验研究和分析,进而进行方案优化,提出了驼峰处负压均符合规范要求、灌水时间合理的优化方案。量测了虹吸灌水廊道从抽吸真空到正常工作所需时间、虹吸驼峰处最大负压、虹吸灌水廊道沿程局部阻力系数;分析了消能格栅的效果;绘制了流量系数-时间、水头-时间、流量-时间的关系曲线等。（2）排水系统。对设计方案进行了试验研究和分析,观测了主泵在各种运行工况下的流态,量测了排水管鹅管处压强。主泵以额定流量12400 m3 h运行时,水流无法充满排水管鹅管断面,需要抽吸真空使排水管道满流运行;排水管鹅管断面负压符合规范要求;排水泵在各工况下运行时,集水池内水流平稳。（3）采用三维RNG k-ε紊流模型,有限体积法（FVM）离散方程,PISO算法求解,对原方案及优化方案进行了数值模拟,计算压力场、流场等水力特性,模拟结果与试验结果吻合。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 虹吸式灌排水流道国内外发展概况
• 1.1.1 虹吸式进水口电站
• 1.1.2 虹吸式溢洪道
• 1.1.3 泵站虹吸式出水流道
• 1.1.4 船坞虹吸式灌水系统
• 1.2 虹吸灌排水系统水力特性问题
• 1.3 本文主要研究工作
• 第二章 紊流数值模拟理论
• 2.1 紊流特性及基本方程
• 2.1.1 紊流特性
• 2.1.2 紊流时均控制方程
• 2.2 紊流数值模拟方法分类
• 2.2.1 直接数值模拟方法（DNS）
• 2.2.2 大涡模拟理论（LES）
• 2.2.3 Reynolds 平均法（RANS）
• 2.3 常用紊流模型
• 2.3.1 涡粘模型
• 2.3.2 Reynolds 应力模型
• 2.3.3 其他模型
• 2.4 边界条件
• 2.4.1 进口边界
• 2.4.2 出口边界
• 2.4.3 壁面边界
• 2.4.4 对称边界
• 2.5 有限体积法
• 2.5.1 通用方程
• 2.5.2 基本思想
• 2.5.3 方程的离散
• 2.5.4 离散格式
• 2.5.5 离散方程的计算方法
• 2.6 小结
• 第三章 船坞虹吸灌排水系统模型试验研究
• 3.1 试验基本资料
• 3.1.1 工程布置图及特征水位
• 3.1.2 灌排水系统基本参数
• 3.2 模型设计及制作
• 3.2.1 模型设计
• 3.2.2 模型制作
• 3.2.3 量测仪器
• 3.3 虹吸灌水系统试验结果分析
• 3.3.1 试验方案
• 3.3.2 虹吸形成过程
• 3.3.3 虹吸灌水流道驼峰断面负压
• 3.3.4 虹吸灌水时间、过流能力及流量系数
• 3.3.5 流道阻力
• 3.3.6 水流流态
• 3.3.7 海侧及驼峰处流速分布
• 3.3.8 虹吸破坏过程
• 3.4 虹吸排水系统试验结果分析
• 3.4.1 排水系统运行状态
• 3.4.2 排水时间及流量
• 3.4.3 排水时鹅管断面压力
• 3.4.4 海侧及鹅管断面流速分布
• 3.5 小结
• 第四章 虹吸灌水系统数值模拟
• 4.1 数学模型
• 4.2 计算区域及边界条件
• 4.3 压力分布
• 4.4 流场分布
• 4.5 小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢