某泄洪底孔水力特性的试验及数值模拟研究

发布时间：2020-10-16 01:59

　　 近年来随着经济的发展,我国在河流中修建了大量水利工程设施,这些工程可以调洪蓄洪保护河流沿岸免遭洪涝灾害,同时又可以提供清洁廉价的电力资源,为经济发展提供保障。在对大型水利水电枢纽工程泄洪问题的研究当中,泄洪建筑物的水力特性是值得深入研究的方向。泄洪建筑物主要用于宣泄上游过量来水,其型式主要有溢洪道、泄洪底孔、水工隧洞、泄洪闸以及组合使用或衍生的各类设施。21世纪前泄洪建筑物水力特性的研究主要依靠物理模型试验。目前随着计算机性能的不断提升以及计算流体动力学的发展,数值模拟技术克服了模型试验耗时费力、难以获得流场全域的水力数据等缺点,在工程中应用日趋广泛,逐渐成为物理模型试验的重要辅助手段。本文采用物理模型试验和数值模拟计算相结合的方法对泄洪底孔的水力特性进行研究,所做工作主要如下：(1)介绍了对于泄洪底孔研究的目的、意义和现阶段国内外的研究现状。(2)对紊流数值模拟的基本理论进行归总叙述,简要介绍基本控制方程的表达形式、数值离散方法、几种常用的紊流模型、自由水面模拟方法、流场数值计算方法等基本原理。(3)介绍了某水利枢纽的工程概况,结合实际工程对泄洪底孔进行了水工模型试验研究。介绍了模型试验中的模型设计、模型安装和数据测量等注意事项,通过试验观测了泄洪底孔泄流的流态,并得到了水面高程、流速分布和底板压强等实测数据。(4)为了充分研究泄洪底孔的水力特性,利用Fluent商用计算软件,采用标准k-ε紊流数值模型和体积分数法(VOF)自由表面追踪技术,对某重力坝泄洪底孔全程进行了三维数值模拟研究。数值模拟得到了设计洪水位和校核洪水位两种工况下,泄洪底孔的沿程水面线、底板压强以及流速分布等水力特性。数值模拟结果与模型试验数据对比分析,二者吻合较好,研究成果表明：数值模拟技术应用在实际工程泄洪方面的研究是可行的。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TV135.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究的目的和意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本论文的主要研究方法
    1.4 本论文的主要研究内容
    1.5 本章小结
2 紊流数值模拟理论
    2.1 紊流数值模拟基本理论
        2.1.1 紊流数值方法
        2.1.2 紊流的基本方程
        2.1.3 零方程模型
        2.1.4 一方程模型
        2.1.5 双方程模型
    2.2 数值离散方法
    2.3 自由表面处理方法
        2.3.1 对称性边界
        2.3.2 高度函数法
        2.3.3 标记网格法
        2.3.4 体积分数法
    2.4 流场数值计算方法
        2.4.1 SIMPLE算法
        2.4.2 SIMPLEC算法
        2.4.3 PISO算法
    2.5 本章小结
3 某工程泄洪底孔的物理模型试验
    3.1 工程概况
    3.2 模型设计与制作方法简介
        3.2.1 相似准则与模型比尺
        3.2.2 模型的制作
        3.2.3 模型沙粒径的确定
        3.2.4 模型试验测试手段
        3.2.5 模型图
    3.3 物理模型试验结果
        3.3.1 泄洪底孔的泄流能力
        3.3.2 沿程水面高程
        3.3.3 沿程压强分布及闸槽段水力特性
        3.3.4 沿程流速分布和空化数
        3.3.5 泄洪底孔的河床冲刷
    3.4 本章小结
4 泄洪底孔的三维数值模拟
    4.1 数值模拟软件介绍
        4.1.1 ANSYS ICEM CFD网格划分软件概述
        4.1.2 FLUENT流体力学软件概述
        4.1.3 Tecplot后处理软件概述
    4.2 计算区域模型及与网格划分
    4.3 计算方法与求解器类型
    4.4 边界条件
    4.5 数值模拟结果分析
        4.5.1 水流流态
        4.5.2 沿程水面高程
        4.5.3 沿程压强分布
        4.5.4 沿程流速分布
    4.6 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 ;水情知识:中国水情的主要特点及面临的挑战[J];河南水利与南水北调;2015年05期

2 汤慧;刘亚坤;倪汉根;;消能工在白杨河水库的联合应用[J];水利与建筑工程学报;2011年06期

3 杨忠超;刁明军;邓军;;高水头大流量泄洪隧洞水力特性数值模拟研究[J];水电能源科学;2010年02期

4 于野;刘亚坤;倪汉根;孙韵;;洞式溢洪道掺气减蚀设施的体型优化研究[J];水利与建筑工程学报;2010年01期

5 黄振宇,徐文灿;湍流射流的数值模拟[J];北京理工大学学报;1999年06期

6 李国栋，陈刚，李建中;明流泄洪洞流场数值模拟[J];水动力学研究与进展(A辑);1996年06期

7 王奇峰,李建中;溢流反弧紊流流动数值模拟[J];水利学报;1993年08期

本文编号：2842576