溢洪道泄槽弯道段导流墙水力数值模拟与试验研究

摘要

本文利用流体计算软件FLUENT提供的RNGκ-ε紊流模型，对萌山水库溢洪道泄槽弯道导流墙三维水流进行了数值模拟研究，并与水工试验结果作对比分析，提出了导流墙的水流数值模拟方法与导流墙的优化方法。主要内容和成果有： (1)对溢洪道泄槽弯道段设置导流墙对弯道水流运动现象、运动特性的改善从理论上做了分析。 (2)试验实测了布置导流墙后的溢洪道在下泄五十年一遇、百年一遇等工况下泄槽弯道段左右岸边墙的水面线、断面流速等水力学参数，并与布置导流墙前进行了对比分析。 (3)本文采用RNGk-ε紊流模型，引入VOF法追踪自由表面，采用有限体积法离散方程，以PISO方法对压力场和速度场耦合计算，对萌山水库溢洪道泄槽弯道水流进行了数值模拟，得到了该弯道水流上述工况下的溢洪道流场的水力特性，包括：自由水面线、纵向流速等，并与实验结果进行比较，吻合较好。 (4)三维数值模拟时，对不同工况，遵循网格应尽量与流线保持一致的原则，采用网格的贴体坐标法对计算区域进行了离散。对计算区域分区，不同区域采用不同类型、不同疏密程度的网格，其中关键区、变化梯度大的区域如水面线附近网格密，次要位置网格稀，复杂区域如布置了泄槽弯道导流墙附近区域采用非结构网格，简单区域采用结构网格，有效控制了网格数目。给出了数值计算中的各种边界条件以及流场初始条件，同时设定了萌山水库溢洪道泄槽弯道段设置导流墙的边界条件和流场初始条件。 (5)对萌山水库溢洪道泄槽弯道导流墙进行多方案水流数值模拟，通过模型试验和数值模拟得到的水力参数对比分析和验证，提出了在溢洪道泄槽弯道段设置导流墙的多方案设计，根据设计方案的优化标准，选择合理的导流墙设计方案。优化后萌山水库溢洪道泄槽弯道水流流态良好，可以满足泄洪消能及安全运行的要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

1引言

1.1问题的提出及研究的目的和意义

1.1.1问题的提出

1.1.2研究的目的与意义

1.2溢洪道泄槽弯道段的研究现状

1.2.1弯道水面的横比降

1.2.2弯道坏流流速垂线分布

1.2.3弯道纵向垂线平均流速分布

1.2.4急流冲击波

1.2.5溢洪道弯道数值模拟研究现状

1.3弯曲溢洪道工程实例

1.4本文研究方法及内容

1.4.1主要内容

1.4.2研究方法与技术路线

1.5创新点

2溢洪道泄槽弯道导流墙的设置及水流调整机理分析

2.1溢洪道泄槽弯道水流的特性

2.1.1泄槽弯道水面形态及超高

2.1.2泄槽弯道急流冲击波

2.1.3急流冲击波的控制

2.2弯道泄槽段设置导流墙后的水力特性改善

2.2.1水面横比降

2.2.2冲击波削减

2.3导流墙的设置

2.4本章小结

3水工模型试验研究

3.1模型试验的基本原理

3.2萌山水库溢洪道模型试验

3.2.1溢洪道工程概况

3.2.2模型设计与制作

3.3模型试验成果

3.4本章小结

4泄槽弯道段设置导流墙的水流三维数值模拟

4.1控制方程

4.1.1基本方程

4.1.2紊流模型

4.2离散化方法

4.3水气两相流VOF法

4.4网格划分及边界条件

4.4.1网格划分的贴体坐标法

4.4.2结构网格与非结构网格

4.4.3泄槽弯道段设置导流墙的网格划分

4.4.4边界条件

4.5离散方程的解法

4.5.1 SIMPLE系列算法

4.5.2 PISO算法

4.6本章小结

5溢洪道泄槽弯道段导流墙设计要素优化

5.1模型试验成果与数值模拟数据对比分析

5.1.1设置导流墙前后水工模型试验数据对比分析

5.1.2试验成果与数值模拟数据对比分析

5.2溢洪道泄槽弯道段导流墙布设位置多方案数值模拟

5.2.1布设位置多方案比较

5.2.2网格划分和边界条件设置

5.3泄槽弯道导流墙设计的优化方法

5.3.1导流墙布设位置的多方案数值模拟数据

5.3.2泄槽弯道导流墙设计的优化方法

5.4本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

7主要参考文献

8致谢

9在读硕士期间取得的主要学术成就