斯木塔斯水电站台阶式陡槽溢洪道水力学问题研究

论文摘要

作为水工建筑物中比较重要和常见的一种泄水建筑物,溢洪道的水力特性一直备受水利工程界的关注,而作为一种新的形式,台阶式溢洪道也越来越多的应用于实际工程,于此,前人做了大量的试验研究并取得了丰富的成果。斯木塔斯水电站就是采用的台阶式陡槽溢洪道的形式,本文先是采用模型试验的方式对该台阶式陡槽溢洪道的水力特性进行了试验研究,取得了水面线、压强、流速以及掺气特性等水力特性,同时用断面法对台阶段的水面线进行了计算,其结果与模型试验结果吻合度较高。同时,从N—S方程出发,采用标准k～ε湍流模型,引入VOF方法处理自由表面,对复杂的边界采用结构网格进行处理,优选了控制方程离散格式以及压力修正的PISO算法,建立了三维溢洪道流场的数值模型。通过对斯木塔斯水电站台阶式陡槽溢洪道进行全流场的三维数值模拟,较好地计算模拟出了自由水面,得到了流速场、压强等详细的水力特性数据,并将数值模拟结果与模型试验结果进行了对比,发现除压强之外,别的数据都吻合良好。通过建立二维模型,对台阶段的切应力进行了模拟计算,得到台阶上部主流水体与台阶面以及主流水体之间、台阶内部横向和纵向的切应力变化情况,探究了在不同流量下台阶段内的切应力变化以及同种流量下不同台阶处的切应力变化情况,对其变化发展情况进行了初步探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 水流流态问题的研究
• 1.2.2 消能特性研究
• 1.2.3 压强特性研究
• 1.3 湍流数值模型的发展概况
• 1.3.1 直接数值模拟（DNS）
• 1.3.2 Reynolds 平均法（RANS）
• 1.3.3 大涡模拟（LES）
• 1.3.4 零方程模型
• 1.3.5 单方程模型
• 1.3.6 双方程模型
• 1.3.7 数值离散方法
• 1.3.8 数值求解方法
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 本文的研究方法及研究内容
• 第二章 台阶式陡槽溢洪道水力特性的试验研究
• 2.1 模型的制作
• 2.2 试验成果及分析
• 2.2.1 自由水面线
• 2.2.2 台阶面流速
• 2.2.3 台阶面压强情况
• 2.2.4 台阶面掺气情况
• 2.2.5 消能率问题
• 2.3 台阶段水面线计算
• 2.3.1 理论依据
• 2.3.2 水流特性
• 2.3.3 渐变流段水深计算公式
• 2.3.4 λ的确定
• 2.3.5 均匀流段水深计算公式
• 2.3.6 计算应用
• 2.4 本章小结
• 第三章 斯木塔斯水电站台阶式陡槽溢洪道数值计算
• 3.1 工程应用背景
• 3.2 模拟区域及几何参数
• 3.3 数学模型的建立
• 3.3.1 引入VOF 方法的k～ε方程
• 3.3.2 模型的近壁面处理
• 3.3.3 模拟区域网格的划分
• 3.3.4 边界条件的设定
• 3.4 数值模拟结果
• 3.4.1 正常水位工况
• 3.4.2 设计工况计算结果
• 3.4.3 校核工况模拟结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 计算结果分析
• 4.1 自由水面
• 4.2 速度分布
• 4.3 压力场
• 4.4 本章小结
• 第五章 台阶式溢洪道水流切应力变化初探
• 5.1 紊流中切应力的作用
• 5.2 数学模型
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 主流水体切应力分布规律研究
• 5.4 近底区切应力变化情况
• 5.4.1 同一工况下不同断面处切应力极值变化
• 5.4.2 不同工况同一台阶断面处切应力极值对比
• 5.4.3 同一台阶不同工况近底区切应力变化急剧程度对比
• 5.5 主流区切应力变化情况
• 5.5.1 同一工况下不同断面处切应力均值变化
• 5.5.2 不同工况同一台阶断面处切应力均值对比
• 5.6 台阶内部漩涡切应力分析
• 5.7 横向切应力分析
• 5.7.1 近壁区切应力变化分析
• 5.7.2 漩涡区切应力分析
• 5.8 纵向切应力分析
• 5.8.1 近壁区切应力变化情况
• 5.8.2 漩涡区切应力分析
• 5.9 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介