基于数值模拟的齿墩式内消能工体型优化分析

摘要

齿墩式内消能工作为近几年新提出的一种内消能工，与传统的内消能工相比，其保证较大过流能力的同时消能率也得到了一定的保证，是一种很有发展潜力的内消能工，因此开展对这种内消能工的研究意义重大。前期已通过物理模型试验对这种内消能工进行了水力特性分析，研究了齿墩数目以及面积收缩比对其消能特性、压强特性及流速特性的影响，本文在前期工作的基础上，采用紊流数值模拟计算软件Fluent对其进行数值模拟，分析了不同齿墩高度以及不同过流面积的情况下齿墩式内消能工的压力、流速分布、紊动能及其耗散率、水头损失及消能率的变化规律。本文的主要研究内容和结论如下：
　　1．不同体型齿墩式内消能工时均压强在管道中的沿程变化规律类似，总体规律都是在齿墩段上游保持稳定，在布置齿墩的部位急剧减小，而后又逐渐增大，直至恢复稳定。
　　2．各体型齿墩式内消能工的断面流速矢量变化规律基本相同，距离齿墩段上下游较远的管道中流速基本上呈矩形均匀分布，在齿墩段附近，贴近管壁处的流速相对比较小，管道中心轴位置及其上下0.3D的范围内流速最大且基本保持同一流速值。随着面积收缩比的减小，反向流动增强，流速恢复长度增大；面积收缩比保持不变，随着齿墩高度的增加，齿墩段后反向流速的范围基本保持不变，流速恢复区长度随齿墩高度的变化不明显，保持在1.3D左右，流速矢量分布受齿墩高度的影响不大。
　　3．各体型齿墩式内消能工的紊动动能和紊动能耗散率分布规律大体相同，最大值均出现在齿墩段进口位置附近，紊动也最为强烈，流经齿墩段后，随着管段长度的增加，紊动能和紊动能耗散率继续衰减，最后恢复稳定。随着面积收缩比的减小，其紊动能和紊动能耗散率也相应增大；面积收缩比一定，随着齿墩高度的增大紊动程度有略微变化，但波动幅度不大。
　　4．通过试验模拟得出管道中的水头损失主要是由于突缩突扩引起的局部水头损失，当齿墩式内消能工体型确定时，不同流量下的水头损失线近似水平，水头损失系数相差不大，水头损失基本不随流量的变化而变化。随着面积收缩比逐渐减小，局部水头损失系数逐渐增加，消能效果也明显增加。当面积收缩比一定，齿墩高度变化时，局部水头损失系数在3.7到3.8之间波动，消能效果也相差不大。
　　5．齿墩体型一定时，齿墩式内消能工的消能率随着流量的增大而增加；同一流量下，随着面积收缩比的减小，消能率随之增大；面积收缩比相同，齿墩高度变化时，各流量下对应的消能率相差不多，说明齿墩高度对消能率略有影响，但影响不是很大。
　　6．影响齿墩式内消能工水流特性的主要因素是面积收缩比，齿墩高度对其影响很小。

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第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3问题的提出

1.4研究方法和技术路线

1.5研究内容

第2章 计算模型的建立

2.1计算流体力学

2.2 FLUENT数值模拟的理论基础

2.3应用FLUENT建立齿墩式内消能工水流特性计算模型

第3章 试验方案及模型验证

3.1试验方案

3.2物理模型试验装置

3.3试验流量的测量及控制

3.4数值模拟模型验证

第4章 不同体型齿墩式内消能工压强特性分析

4.1时均压强理论

4.2时均压强沿程分布

4.3压强等值线云图

第5章 不同体型齿墩式内消能工流场特性分析

5.1流场理论分析

5.2流场特性分析

第6章 不同体型齿墩式内消能工紊动能及紊动能耗散率分

6.1 A组方案紊动能及其耗散变化图

6.2 B组方案紊动能及其耗散变化图

第7章 不同体型齿墩式内消能工消能特性分析

7.1水头损失系数

7.2消能特性分析

第8章 结论及展望

8.1结论

8.2展望

参考文献

致谢

附录