输水洞明满过渡流研究

摘要

在实际工程中存在不同应用的明满过渡流水力现象，因此对于明满过渡流的研究很有现实意义。本文首先归纳总结了国内外关于输水洞明满过渡流的水力现象的研究进展，并对到目前为止的国内外有关明满过渡流的研究成果及计算方法进行了整理。在此基础上，提出了本文的研究内容。针对一维非恒定流问题，详细的介绍了明渠流和有压流的一维非恒定流理论，主要对于圣?维南方程进行了较为完整的推导，其中，在推导有压管道一维非恒定流的基本理论前，关于水击波传播速度的常用计算公式也进行了简单的推求。这为接下来的明满过渡流的数值模拟奠定了理论基础。
　　接下来引入了明满过渡流的研究中常用的Preissmann窄缝法思想，并详细介绍了其原理。在此基础上，引进应用较普遍的Preissmann四点时空偏心格式，对其计算格式、边界条件和初始条件进行了较为全面的推导，并将其运用到上下游边界条件变化剧烈的算例中，在对数值计算结果进行了分析之后，得出Preissmann四点隐格式法对于上下游边界条件变化剧烈的情形计算不稳定的结论。然后，为了研究明满流交替出现的水力现象，本文对樊红刚等提出的以流量Q和水深h为流动变量表示的特征隐式差分格式方法进行了简单的介绍，该方法运用特征思想，采用迎风差分格式，并将其应用到同一算例中进行结果分析，得出该方法能够稳定计算至恒定流情形，但模拟结果出现失真的结论。针对这种问题，本文尝试提出了以水深h和流速v为流动变量表示的特征隐格式法，运用特征思想，采用迎风差分格式，对常见的上下游边界条件及初始条件进行了介绍。然后对同一算例进行数值模拟，分析计算结果，可以得出该方法计算稳定性更好，且计算时长较少，可以有效的模拟上下游边界条件变化剧烈的情况。进一步数值试验发现，时间步长取得过大，可能会导致模拟失真，需要结合数值实验及结果分析选择合适的时间步长。
　　为了探究本文提出的以水深h和流速v为流动变量表示的特征隐格式法的适用性，文章举例分析其适用性问题，得出了该方法可以适用于多种实际工程，并且可以保证计算精度。

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1 绪论

1.1 论题提出的背景及研究意义

1.2 相关理论国内外研究概况

1.3 数值模拟

1.4 计算方法

1.5 本文研究内容

2 一维非恒定流的基本理论

2.1 明渠一维非恒定流的基本理论

2.2 有压管道一维非恒定流的基本理论

2.3 本章小结

3 输水洞明满过渡流的数值模拟

3.1 Preissmann窄缝法思想

3.2 Preissmann四点隐格式法

3.3 以流量Q和水深h表示的特征隐格式法

3.4 以水深h和流速v表示的特征隐格式法

3.5 本章小结

4 模型应用

4.1 算例1

4.2 算例2

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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