水利工程中无压流到有压流过渡段水流数值模拟及结构优化

摘要

水利工程中的水流由无压流过渡为有压流时，过渡连接段的结构及尺寸设计关系到整个工程的工程量与投资。过渡段内的水流流态直接影响有压流段的运行安全与稳定。因此，研究过渡段内的水流流态对于选择合理的过渡段型式与尺寸，具有重要的意义。
　　 目前，国内外对水利工程中无压流到有压流过渡段水流的研究主要集中在泵站前池的流场问题。研究方法主要有理论分析方法、物理模型试验方法、计算机数值模拟方法，均取得了诸多有益的成果。随着流体动力学数值求解技术和计算机的快速发展，运用计算机模拟流场将是未来流体工程研究领域中的重要方向之一。
　　 本文用Fluent6.2.16软件中标准 两方程湍流模型对某水利工程无压明渠流和有压管道之间的过渡段内水流进行了模拟计算。以速度矢量图和速度云图的形式对过渡段内水流流态进行了研究分析，讨论了过渡段内流速分布的特点。通过模拟流场和试验流场的比较分析，对湍流模型进行了检验及验证。
　　 研究结果表明，对所选若干过渡段方案，模拟结果与试验结果较吻合。沿宽度方向流速分布在过渡段宽度较小时较均匀；沿水深方向主流集中在无压流底板高程以上和靠近过渡段出口端一定范围以内。当流量在一定范围内变化时，主流区下方均有漩涡低速区或死水区，该区域的大小与流量有关，其位置基本不变。根据过渡段内水流的流态分析，本文提出了在水利工程中无压明渠流和有压管段连接时较为合理的过渡段结构型式即过渡段底板做成倾斜的型式，在不影响流态的情况下，采用这种型式可以减小整个水利工程的工程量与造价。过渡段内水流的气泡及自由水面模拟等问题有待进一步研究。