基于不同抛物线方程泄洪洞体型的试验及数值模拟研究

论文摘要

水利工程中,泄水建筑物底坡变化较大,高程需急剧降低时,常采用渥奇曲线衔接上下游,以避免水流脱离底板发生空蚀,如明流泄洪洞、坝身泄水孔出口处等,此时渥奇段起着承上启下,平顺水流的作用。工程设计中,渥奇段常设计成抛物线形式,抛物线方程系数根据经验及工程重要程度选定,具有较大的不确定性。由于受水流离心力作用,渥奇段形状对溢流面的压力及流速分布有较大影响,若选择不合理容易引起不良水力现象发生。因而,研究合理渥奇段体型,有着重要的实际意义。渥奇段在泄洪洞中得到了最广泛的应用,泄洪洞研究中,许多重要的数据都由原型观测、水工模型试验得来,但原型观测限制条件较多,水工模型试验亦有许多不足之处。随着计算机技术及计算流体力学理论的发展,数值模拟越来越多地应用于泄洪洞研究上。相比模型试验,数值模拟计算不仅可以节省大量时间、资金,还可以提供翔实的数据、资料,更可以不必考虑缩尺影响,直接对原型进行模拟计算。本文利用水工模型试验、数值模拟技术,结合理论分析,对渥奇段体型进行了研究,得到了揭示泄洪洞水头、单宽流量与渥奇曲线系数关系的经验公式,主要研究内容包括以下几个方面:首先,借助模型试验对某电站泄洪洞原体型泄流能力、渥奇曲线壁面压力等进行研究,得到了准确的数据,通过试验及理论分析指出原体型存在的不合理之处,并有针对性的进行了体型优化试验;其次,通过数值模拟对泄洪洞优化体型水流流态、壁面压力进行了模拟研究,数值模拟的结果与模型实验实测数据吻合良好,说明本文采用的数值计算方法真实可靠。利用数值模拟计算得到了不同水头、单宽流量下的临界渥奇系数,指出根据临界渥奇系数原理选择渥奇系数的意义所在;最后,利用刚体抛物理论,对水平及俯冲射流进行了分析,推导出了自由射流水舌运动轨迹方程,初步分析确定了影响渥奇段体型的因素。搜集国内泄洪洞渥奇段方程、设计水头、流量等数据,结合模型试验及数值计算成果,分析拟合得到了可用于渥奇系数选择的经验公式,经与工程实际选用的渥奇系数比较,证明本文公式具有较高的准确度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 泄洪洞渥奇段体型的模型试验研究
• 2.1 工程概况
• 2.2 模型制作
• 2.3 模型试验内容
• 2.4 初始方案试验
• 2.5 优化体型试验
• 2.6 本章小结
• 第三章 临界渥奇系数的三维数值模拟研究
• 3.1 紊流数值模拟的理论和方法
• 3.2 数学模型的验证
• 3.3 临界渥奇系数的数值模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 渥奇系数经验公式分析
• 4.1 渥奇理论曲线
• 4.2 渥奇系数选择的区间性
• 4.3 渥奇系数经验公式
• 4.4 龙抬头龙落尾泄洪洞特性分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文与参加科研情况
• 致谢