热交换条件下水库分层流型态及水温数值模拟研究

摘要

水库是重要的淡水资源库，能实现水资源的综合开发和利用，始终在工农业生产和社会建设中发挥着巨大的作用。但水库拦截河流蓄水后，库区水位壅高，水面积扩大，流动性减弱，其自净能力相较于下游天然河道明显较弱，极易造成污染物的富集;而库内水温分层又进一步减少了上下层之间的物质交换，可能会增加水库水质持续恶化的风险。所以相较于关注水库下游天然河道水环境，对水库所带来的环境问题的治理方法展开研究显得更为迫切和重要。 目前国内外对水库水温和水质分层的研究主要还是以近坝区水温或水库下泄水温为分析对象，忽略了水库自身分层流特性和水温分布特性及变化。同时现有模拟对来流和热交换等因素的作用、水库内分层流的型态（中心线位置、分层厚度、影响范围）等都尚未进行明确的讨论和研究。因此，本文将着眼点放在水库的分层流型态和水温变化上，建立了更符合实际的水库水温湍浮力模型，所做的主要工作和取得的初步成果包括: (1)通过对水库分层流理论基础的学习，介绍了水库水温水质分层现象，说明了水库水温分层导致的密度分层是库内形成分层流的原因，并选定二维数值模拟为本文的基本方法。 (2)通过对国内外水温模型的整理，在原有研究模型的基础上补充了热交换模型，并用C语言编译UDF修改能量方程的源项，在水体表面增加热通量边界条件，给定更符合实际的水库进水边界条件，建立了考虑热交换的立面二维水库水温湍浮力模型。 (3)以美国陆军工程师团水道试验站的水库物理模型试验的实测数据为依据，对模型进行了验证，证明了其对水库水动力和水温模拟的准确性和可靠性。 (4)运用上述模型对水库水温变化进行模拟，验证该水库在8月能够形成稳定的水温分层，并对其稳定分层期泄水过程进一步模拟，分析了在热交换条件下，从不同高程泄水时水库内分层流型态特征和水温变化规律。 经过上述模拟分析和总结，本文得出了水库在年内水温结构的周期性变化规律，并验证了在水温稳定分层期，在从不同高程分层泄水过程中，水库内能够形成中心线高程与泄水高程对应、厚度趋于稳定的持续分层流动;分层流内温度梯度较大，分层流上方水温逐渐接近来流水温，下方水温仍会处于分层状态。因此，通过采取分层泄水的方法，能够在遵循水库水温分层的自然规律条件下，对水库分层流动加以利用，下泄指定高程的“目标水层”，改善水库水质及水环境，调整库内水温分布，从理论上为实现水库的多目标调度提供了科学依据。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．2研究意义

1．3本文的技术路线及主要内容

2水库分层流及模型理论基础

2．1水库水温水质分层与分层流

2．1．1水库的水温和水质分层

2．1．2水库水体水温分层结构的判别

2．1．3水库水温分层与库内分层流

2．2水库分层流影响因素

2．3水库水温预测及模拟方法

2．3．1不同水温预测方法对比

2．3．2水库水温数值模型介绍

2．4本章小结

3水库水温数值模型的建立及验证

3．1基本控制方程

3．2湍流模型

3．3热交换模型

3．4FLUENT求解过程控制

3．4．1求解方法

3．4．2方程离散化

3．5模型验证

3．5．1计算条件

3．5．2模型计算结果与分析

3．6本章小结

4水库水温分布及变化过程模拟分析

4．1模型的建立

4．1．1计算区域的网格划分

4．1．2模型计算条件

4．2水库温度场分析

5水库分层流型态及水温变化规律研究

5．1模型计算条件

5．2库内分层流型态分析

5．2．1 底部泄水孑L泄流时库内分层流型态分析

5．2．2中部泄水孔泄流时库内分层流型态分析

5．2．3表层泄水孔泄流时库内分层流型态分析

5．3库内水温变化分析

5．3．1不同时段坝前断面水温变化

5．3．2不同高程泄水时水温分布比较

5．4本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

附录

致谢