溢流坝弧形闸门不同开度水流三维数值模拟

摘要

泄流能力的研究对大坝安全起着至关重要的作用，目前泄流流量基本依靠理论计算或水工模型试验获得。而理论计算与模型试验存在一定局限性，现场泄流试验却能真实的测出下泄流量。为了现场试验安全高效的进行，首先对溢流坝过坝水流进行三维数值，为现场试验提供数值依据。
　　以Fluent为代表的计算流体软件，以其功能最全面、应用最广泛的特性，已经成为目前研究大坝过坝水流特性的主要工具。k-ε湍流模型和VOF方法也是研究有自由面的湍流流动的最先进的技术。本文利用Fluent软件，结合RNGk-ε湍流模型和VOF方法对石龙大坝溢流坝段进行三维数值模拟。主要开展了以下几方面的工作:
　　1、简述了溢流坝数值模拟的目的与意义，并对溢流坝过坝湍流的水力特性数值模拟、湍流模型和VOF方法研究现状进行了综述。
　　2、对计算流体动力学进行了介绍，主要包括了基本控制方程、湍流模型、边界条件的处理、控制方程的离散和数值计算方法等。
　　3、介绍了Fluent软件系统以及Fluent求解器的求解步骤，并以三角形薄壁堰为例，详细说明Fluent数值模拟全过程，并将结果与理论结果进行对比分析，为工程数值模拟准备条件。
　　4、基于Fluent软件，使用QUICK离散格式离散RNGk-ε湍流模型的控制方程，使用VOF方法追踪过坝水流的水面线，使用PISO数值计算方法，对石龙大坝溢流坝段三种库水位的不同弧门开度水流进行三维数值模拟，得到了各种工况的泄流量，测架安置断面的压力场和速度场，以及过坝水流泄流形态。数值模拟成果与理论结果进行了比较，吻合情况良好。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究的现状

1．2．1 湍流模型研究现状

1．2．2 自由面模拟研究现状

1．3 研究的方法与主要内容

2 计算流体动力学基础

2．1 基本控制方程

2．1．1 连续方程

2．1．2 N-S方程

2．1．3 能量方程

2．1．4 组分方程

2．2 湍流模型

2．2．1 湍流基本方程

2．2．2 湍流数值模拟方法

2．2．3 k-ε双方程模型

2．3 边界条件的处理

2．3．1 壁面边界条件

2．3．2 入口边界条件

2．3．3 出口边界条件

2．4 控制方程的离散

2．5 流场数值计算

2．6 本章小结

3 三角形薄壁堰测流设备数值模拟

3．1 Fluent软件系统

3．2 堰流与闸孔出流

3．3 三角形薄壁堰物理模型

3．4 数值模拟求解过程

3．4．1 建立网格模型

3．4．2 导入并检查网格

3．4．3 选择求解器、运行环境及计算模型

3．4．4 设置材料属性和边界条件

3．4．5 调整求解参数

3．4．6 初始化流场，开始求解

3．5 结果分析

3．5．1 水流形态

3．5．2 过流能力

3．6 本章小结

4 石龙大坝弧形闸门不同开度水流三维数值模拟

4．1 石龙大坝现场试验

4．1．1 石龙大坝概况

4．1．2 试验目的

4．1．3 试验理论依据

4．1．4 试验测架及位置选择

4．1．5 泄流试验过程

4．2 理论公式计算

4．3 数值模拟

4．3．1 建立模型

4．3．2 求解过程

4．4 模拟结果

4．4．1 泄流能力

4．4．2 试验工况的泄流形态

4．4．3 试验工况的流速分布

4．5 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