洄峰涧水库泄水建筑物水流数值模拟研究

摘要

2011年我国全面启动小Ⅱ型病险水库除险加固。这项举措不仅有利于防洪体系的建设，更能够促进农业农村基础设施建设，解决好2.15亿农村人口饮水安全问题，具有重要意义。本文的选题即是对出险加固溢洪道工程设计方案的研究分析。本文利用商用CFD软件为模拟平台，以沂水县洄峰涧水库为研究对象，选取k-ε紊流模型和两相流VOF模型等数学模型对其溢洪道进行的数值模拟。模拟的方法采用二维模型与三维模型相结合的方式，并将模拟所得到的结果与水力学理论计算值对比分析。主要的内容有:
　　 (1)通过对洄峰涧水库溢洪道结构的水域进行模拟，得到了溢洪道的水面线、堰面压力及流速分布等水力特性相关数据，与经典水力学计算值相对比，二者结果接近，这说明在此次模拟中所采用的数学模型k-ε紊流模型与两相流VOF模型是适用的，能够得出较为理想的结果。计算区域分块，然后划分不同疏密程度的网格，既能够保证计算结果的精确性，又能够有效地节约计算时间。
　　 (2)溢洪道采用宽顶堰较为合理，前段接直立陡坎与前段接缓坡进行对比后，堰前段接缓坡对流态的影响较小，总的来说流态较好，泄流更为顺畅。堰面压力为正，无负压产生。
　　 (3)对比溢洪道二维和三维数学模型的计算结果可以看出:二维的数学模型计算未受到横向断面的影响，仅仅受到纵向的溢流堰、缓坡等结构的影响，因此呈现的结构不够全面，与事实有些差距，但由于二维的模型简单，因此模型建立及计算较为简单快捷;三维模型更符合人们的认知，所得出的结果考虑到溢洪道左侧导流墙及右岸边坡的影响，因此更加与事实相符，但是三维模型建立复杂，网格划分数量较大，需要消耗大量的时间来完成。
　　 (4)通过对放水洞进行模拟，更加深入的了解了放水洞内的水流运动规律以及闸室的压力分布情况。放水洞水头损失数值计算结果与水力学计算结果进行吻合较好，说明模拟放水洞采用的数学模型以及设置的边界条件是适合的，能够模拟出较为理想的结果。闸室中的压强分布符合静水压强分布规律，未有负压产生。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 泄洪建筑物研究现状

1．2．1 概述

1．2．2 泄洪方式研究

1．2．3 溢流堰研究现状

1．3 泄洪建筑物数值模拟的发展

1．3．1 流体力学研究方法

1．3．2 水流紊流模型的研究进展

1．3．3 水流自由表面的数模方法

1．4 FLUENT软件介绍

1．5 本文的研究内容和技术路线

第二章 紊流数值模拟的理论与方法

2．1 CFD概述

2．2 基本控制方程

2．3 湍流模型

2．3．1 k-ε湍动模型

2．3．2 近壁区使用k-ε模型

2．4 VOF方法原理

2．5 离散化方法

2．5．1 有限差分法

2．5．2 有限单元法

2．5．3 有限体积法

2．6 压力-速度耦合算法

2．6．1 SIMPLE算法

2．6．2 SIMPLER算法

2．6．3 PIOS算法

第三章 洄峰涧水库建筑物水力特性理论分析

3．1 工程概况

3．1．1 主要建筑物

3．1．2 水文气象

3．1．3 溢洪道除险加固设计

3．1．4 放水洞除险加固设计

3．2 溢洪道泄槽段水力计算

3．2．1 溢洪道泄流能力

3．2．2 泄槽段水面线推求

3．2．3 边墙顶高程计算

3．4 放水洞水力计算

第四章 洄峰涧水库溢洪道数值模拟

4．1 溢洪道数学模型的建立

4．1．1 几何模型

4．1．2 网格划分

4．1．3 边界条件及初始条件设置

4．2 计算结果分析对比

4．2．1 水面线数据分析

4．2．2 流态及流速分布分析

4．2．3 堰面压力分布

4．3 小结

第五章 放水洞数值模拟

5．1 放水洞数学模型的建立

5．1．1 几何模型

5．1．2 网格划分

5．1．3 边界条件及初始条件设置

5．2 计算结果分析

5．2．1 调压室压力分布

5．2．2 水头损失

5．3 小结

第六章 结语

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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