溢流坝泄流过程水流流态数值模拟

摘要

随着电力行业对“十二五”规划第六篇相关内容的深入解析，水电能源工程建设又一次步入了黄金时期。而保证水工结构物的安全是开展水利水电项目建设的首要前提，相关的研究应当受到充分地关注。大坝的泄洪能力以及水体的过流形态对水利工程结构的安全运行具有不可忽视的影响。因此，对该方面进行理论分析，并建立符合工程需求且计算高效的数值分析模型，具有实际意义。
　　在国内外溢流坝泄洪能力以及水体过流形态相关研究领域，商业计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件FLUENT，因内置了丰富的物理模型、开放了优秀的用户自定义函数功能、具有强大的计算能力、适应多个行业的不同要求，而得到了国内外众多学者和科研人员的认可，进而在水工结构分析领域日渐得到广泛应用。目前，关于溢流坝水体过流形态和过流能力的数值模拟相关研究没有得到足够的关注。本文围绕溢流坝溢流过程的数值模拟进行了以下工作:
　　(1)通过对三种经典堰型的九个基本算例的计算，验证了以下方法的正确和可靠性:使用VOF多相流模型来追踪水气交界面的位置，单步收敛速度更快的PISO算法为压力速度耦合方式，使用重整化群湍流模型对溢流坝进行模拟。
　　(2)以石龙和双沟两座电站的溢流建筑物为研究对象，使用前述模拟方法进行数值实验，对比分析了两个溢流模型在数值模拟、原位试验以及模型试验三种不同研究手段下泄流能力异同，验证了本文所提供模拟参数在工程应用上的适用性，丰富了溢流坝数值分析手段。
　　综上，本文基于FLUENT平台，对软件所使用的CFD的理论基础进行阐述，验证了使用该软件分析溢流坝溢流时水体的过流形态和过流能力问题的可行性，为日后受条件所限不能进行现场实验时分析同一类问题提供了一种解决途径。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．2 溢流坝泄流流态的研究方法

1．3 数值模拟方法的研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 计算流体力学基础

2．1 计算流体力学概述

2．1．1 计算流体力学的发展

2．1．2 计算流体力学的求解过程

2．1．3 计算流体力学常用软件

2．2 流体流动控制方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．2．4 组分方程

2．2．5 状态方程

2．2．6 控制方程通用形式

2．3 湍流模型

2．4 数值离散方法

2．4．1 数值离散方法分类

2．4．2 有限容积法求解

2．5 自由表面追踪方法

2．6 本章小结

3 经典模型数值模拟验证

3．1 堰流概述

3．2 经典堰型的前处理设置

3．2．1 模型构建

3．2．2 网格剖分

3．2．3 定解条件设置

3．2．4 求解器设置

3．2．5 收敛条件设置

3．3 结果和误差分析

3．3．1 薄壁三角堰模拟结果

3．3．2 薄壁矩形堰模拟结果

3．3．3 挑流消能实用堰模拟结果

3．3．4 模拟结果误差分析

3．4 本章小结

4 工程概况及试验情况介绍

4．1 工程概况

4．1．1 石龙大坝工程情况简介

4．1．2 双沟溢洪道工程情况简介

4．2 原位试验情况简介

4．2．1 试验目的

4．2．2 试验方案

4．2．2 试验结果

4．3 双沟溢洪道模型试验

4．4 本章小结

5 工程数值模拟情况分析

5．1 石龙大坝数值模拟

5．1．1 几何模型设置

5．1．2 计算参数设置

5．1．3 计算结果

5．2 双沟溢洪道数值模拟

5．2．1 几何模型设置

5．2．2 计算参数设置

5．2．3 计算结果

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢