船闸阀门突扩体廊道掺气水流数值模拟研究

摘要

近二十年来，我国水利建设及河流水资源综合开发利用进入了快速发展时期。兴建水利枢纽，带来的效益之一是改善了航运的条件。而船闸作为水利枢纽通航建筑物的主要型式，以其技术成熟、工作稳定、运行维护方便等优点应用最为广泛。随着一大批高坝枢纽的建设，船闸的工作水头也在大幅提高，同时为提高其适用性，高水头和超高水头的船闸不断出现，逐渐成为现代船闸的发展趋势。但高水头船闸的阀门段廊道空化问题一直是制约船闸安全运行的巨大隐患，空蚀破坏是船闸输水廊道中常见的破坏。现今用于改善空化条件的措施有两点，一是优化阀门段廊道体型，如船闸阀门段廊道新型上下突扩体型是一种比较成熟的廊道最优方案，相比平顶型和顶扩型，其不仅满足了高水头船闸输水的要求，而且很大程度减少了空蚀空化问题，但该廊道体型仍然存在一定范围的空化区;所以须采用到另一种减蚀措施——增设掺气系统，通过掺气来解决空蚀空化问题。
　　物理模型试验是研究船闸阀门段廊道掺气水流最主要的手段，而关于廊道掺气数值模拟几乎无人涉及。由于阀门门楣的掺气条件复杂，不易数值模拟，因此本文重点以数值模型的研究手段对阀门后上下突扩体型廊道的掺气水流的水力特性进行了数值模拟，以国内某典型高水头船闸阀门段廊道为建模对象，结合物理模型试验资料和相关理论知识，建立设置了台阶状跌坎和升坎的新型突扩体几何模型，选用Fluent软件中的VOF模型和Mixture多相流模型，分别对阀门段廊道掺气前后进行二维数值模拟。最后得到以下四个主要结论:
　　①新型突扩体廊道属于更进一步的优化体型，提高了廊道内的压力，相比于船闸其他体型，其廊道底板、升坎等多个部位的空化溃灭区得到可观的改善，通过本文数值模拟验证了其良好的减蚀效果;
　　②新型突扩体型廊道在阀门0.4、0.5、0.6和0.7开度时，在廊道顶部产生一定范围的负压区域，易产生空化;在阀门0.3和0.4开度时会在跌坎部位第一、二级台阶处产生少许负压，形成空化源;
　　③阀门0.4开度，廊道顶掺气速率达到18m/s时，原廊道顶负压区域全部转化成正压;
　　④掺气水流基本遵循了掺气速率越大，则掺气浓度越高，负压改善越好的规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状和发展动态

1．2．1 阀门廊道体型及廊道掺气的发展

1．2．2 掺气物理模型研究现状

1．2．3 掺气数值模拟研究现状

1．3 研究内容及方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

第二章 紊流及二相流数值模拟的基本理论和方法

2．1 紊流数值模拟的基本理论和方法

2．1．1 紊流数值模拟方法

2．1．2 方程离散方法

2．1．3 网格划分方法

2．2 二相流数值模拟的基本理论和方法

2．2．1 概述

2．2．2 VOF模型

2．2．3 Mixture模型

2．2．4 欧拉模型

第三章 廊道体型及其计算模型

3．1 廊道体型的选取

3．2 计算工况

3．3 计算模型验证

第四章 阀门段廊道水流数值模拟

4．1 模型设计

4．1．1 几何模型建立

4．1．2 网格划分

4．1．3 紊流模型选取

4．1．4 边界条件与算法

4．1．5 试验计算方案

4．2 计算结果与分析

4．2．1 廊道流线、流场分布

4．2．2 廊道流速分布

4．2．3 压力分布

4．3 本章小结

第五章 阀门段廊道掺气水流数值模拟

5．1 几何模型的建立

5．2 网格划分

5．3 数学模型和边界的选取

5．4 掺气顶掺气计算结果及分析

5．4．1 方案设计

5．4．2 廊道顶掺气水流流场

5．4．3 掺气速率与廊道压力

5．4．4 掺气浓度分布

5．5 跌坎掺气计算结果及分析

5．5．1 方案设计

5．5．2 跌坎掺气前后压力对比

5．6 廊道掺气前后效果对比

5．7 水流掺气机理分析

5．8 应用于实践工程中掺气方案

5．9 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及取得的科研成果