溢洪道弯道水流的模型试验及数值模拟研究

摘要

溢洪道作为一种泄水建筑物普遍存在于水利枢纽工程中，常因地质、地形、工程结构、枢纽整体布置等条件的限制，溢洪道陡槽在平面上设计成圆弧型弯道的形式。由于惯性离心力和大坡降的共同作用，弯道水流横向水面高差显著，流速分布不均，加上急流冲击波的影响，水流水力特性极为复杂。随着水利水电事业的发展，溢洪道弯道工程实例逐年增多，但针对它的研究还不多，溢洪道弯道水流研究的深度和广度还不能满足工程实践的要求，尤其是对溢洪道弯道三维数值模拟研究尚属少见。因而开展溢洪道陡槽弯道水力特性的研究既具有现实意义又具有理论意义。 通过结合实际工程实例，采用物理模型试验与紊流数值模拟相结合的方法，对溢洪道陡槽弯道水流的水力特性进行研究。主要内容和成果有： (1)试验观测了溢洪道弯道在下泄一千年一遇、一百年一遇、五十年一遇流量洪水三种工况下左右岸边墙的水面线、断面流速、水面超高、边墙和底板压力等水力学参数； (2)采用RNGk-ε双方程紊流模型，VOF(Volume of Fluid)法追踪自由水面，笛卡尔网格与部分面积体积障碍模拟法方法处理复杂几何边界，对溢洪道陡槽弯道水流进行了三维流场的紊流数值模拟研究。通过数值模拟计算，得到不同水力条件下溢洪道弯道的自由水面线、压力分布以及流速场等水力参数；并将计算结果与模型试验结果进行对比分析，结果表明两者吻合较好。 (3)根据物理模型试验数据，考虑工程实际，提出弯曲导流墙法的优化方案改善弯道水流流态，并进行三维水流紊流数值模拟，计算结果表明优化方案可行，其为工程设计和物理试验提供参考。 (4)对小半径，大底坡溢洪道弯道水流进行研究，研究结果表明其水流具有弯道水流的共性也有其特殊性，对其水流特性及其水流流态优化，需要进行不断的研究，而物理模型试验和紊流数值模拟相结合的方法是研究这类水流问题的有效方法。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1溢洪道弯道水流特性研究的意义

1.2溢洪道弯道水流研究现状

1.2.1弯道水流理论研究现状

1.2.2弯道、溢洪道数值模拟研究现状

1.3本文的研究方法

1.3.1模型试验研究

1.3.2紊流数值模拟研究

1.4本文的研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2技术路线

第二章溢洪道弯道水流水力特性的试验研究

2.1模型设计原理和比尺选择

2.1.1模型设计原理

2.1.2模型比尺选择

2.2溢洪道弯道初步设计

2.3模型制作及布置

2.4试验方案和数据采集

2.4.1试验方案

2.4.2试验数据采集

2.5物理模型试验结果及分析

2.5.1水面特征

2.5.2流速特征

2.5.3弯道底板及边墙压力

2.5.4弯道水流流态

2.6本章小结

第三章溢洪道弯道水流的数值模拟

3.1紊流数值模拟研究发展

3.1.1雷诺时均模型

3.1.2重整化群模型

3.1.3大涡模拟模型和直接数值模拟模型

3.2数值模拟方法

3.2.1自由水面的确定

3.2.2复杂边界的处理

3.2.3 RNG k-ε紊流模型

3.2.4方程的求解方法

3.2.5网格划分

3.2.6边界及初始条件设定

3.3数值模拟结果及试验结果对比分析

3.3.1水面形态

3.3.2水面线高程

3.3.3流速分析

3.3.4弯道压力分布

3.3.5弯道流场分析

3.4本章小结

第四章溢洪道弯道水流优化方案及其数值模拟

4.1弯道水流优化的工程措施

4.1.1渠底超高法

4.1.2复曲线法

4.1.3渠底横向扇形抬高法

4.1.4斜底槛法

4.1.5弯曲导流墙法

4.2方案选择及其体形设计

4.2.1方案选择

4.2.2弯曲导流墙的体形设计

4.3弯曲导流墙法优化方案数值模拟结果分析

4.3.1水面特征

4.3.2弯道水流流速和流态

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

附录

致谢

攻读学位论文期间发表文章