常见管道局部水头损失的数值模拟

论文摘要

水利工程中,计算水流在经过管道体型突然变化处的局部水头损失是水力学应用中一个常见的问题。在实际的工程计算中,按照水力学书或水力手册得到的局部水头损失系数一般为常数,或是依某一个经验公式算得的值,而不考虑水流形态对局部水头损失的影响。而实际的局部水头损失系数是与雷诺数有关的:当雷诺数很大时,水流的流动已经进入阻力平方区,局部水头损失系数可看作只与几何尺寸有关,但当雷诺数较小时,用同一个系数计算得到的结果往往会产生较大的出入。而现有的工程资料和研究对这一问题考虑得较少,因此有必要对此进行研究。本文运用三维k-ε紊流模型对11种常见管道进行数值模拟,通过改变管道的几何尺寸,分析了管道几何尺寸对水流流态和局部水头损失的影响,对计算结果进行分析,得出了各种类型管道的局部水头损失系数随雷诺数的变化规律,绘制了局部水头损失系数和雷诺数的关系曲线。对于某一种体型,随着雷诺数的增加,局部水头损失系数会逐渐减小,并趋于某一定值,其变化规律类似于乘幂函数;当改变其几何尺寸（如夹角、管径比、闸阀开度等）时,其体型变化越大,管道内的水流流态越不稳定,局部水头损失系数也越大。而对于闸阀,开度越大,局部水头损失也越大,其局部水头损失系数随雷诺数的变化也越小。最后将计算结果与水力手册中的经验值进行了比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究背景和现状
• 1.3 常见管道局部水头损失的类型
• 1.4 本文研究的意义及主要工作
• 第二章 紊流模型
• 2.1 紊流的基本方程
• 2.1.1 流体基本控制方程
• 2.1.2 雷诺时均的概念
• 2.1.3 雷诺方程
• 2.2 紊流基本模型
• 2.3 雷诺平均的工程模拟
• 2.3.1 涡粘性模型
• 2.3.2 雷诺应力模型
• 2.4 几种模型优缺点的比较
• 2.5 小结
• 第三章 模型的数值计算方法
• 3.1 计算流体力学常用的数值方法
• 3.1.1 有限差分法（Finite Different Method,FDM）
• 3.1.2 有限元法（Finite Element Method,FEM）
• 3.1.3 边界元法（Boundary Element Method,BEM）
• 3.1.4 有限分析法（Finite Analytic Method,FAM）
• 3.1.5 有限体积法（Finite Volume Method,FVM）
• 3.2 有限差分法
• 3.2.1 有限差分法方程的建立
• 3.2.2 差分法的基本理论
• 3.3 有限体积法
• 3.3.1 紊流通用的模型方程
• 3.3.2 一维问题的有限体积法
• 3.3.3 二维通用微分方程的离散方程
• 3.3.4 三维通用微分方程的离散方程
• 3.4 压力校正法
• 3.5 小结
• 第四章 数值模拟
• 4.1 模型的建立
• 4.2 边界条件与计算参数
• 4.3 结果的分析比较
• 4.3.1 计算的理论基础
• 4.3.2 计算结果及分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢