泄流壁面掺气水流的数值模拟

摘要

掺气水流是水利工程中常见的一种现象，也是一种典型的水气两相流，是高速水力学和水工水力学研究的重要内容。由于水流中掺气，它的运动特性与不掺气相比，有很大变化，故很可能对水利工程产生各种有利或者不利的影响。研究掺气水流，尤其是泄水建筑物中的掺气水流，对解决实际的工程问题，有很重要的实用价值。掺气水流现象较为复杂，研究内容也较多，本文主要对考虑自由液面处空气影响的掺气水流进行数值模拟。
　　本文基于流体计算软件Flow-3D，从N-S方程出发，采用有限体积法离散控制方程，数学模型选用卷气模型、多相流模型、湍流模型(RNGk-ε)，压力求解采用GMRES算法。网格划分采用Multi-block和FAVORTM技术结合的方法，运用Flow-3D软件分别对明渠自掺气水流和泄流壁面掺气坎水流进行数值模拟，以参考文献里的实验数据为依据，将计算结果与实验数据进行对比分析。
　　运用Flow-3D对明渠自掺气水流进行数值模拟，分别计算了进口水深为5era、8cm、12em，对应流量为70L/s、100 L/s和155 L/s的三种工况，得出水流流态、初始掺气点、断面流速、掺气浓度以及紊动能和紊动耗散率的分布规律。结果表明：水深增大时，初始掺气点向下游移动，这是由于增大水深空气不易卷入水中，与实际理论吻合：断面流速分布随着进口水深的增加而逐渐增大，而进口水深相同时，断面流速自渠底向水面先增大然后逐渐减小符合自掺气水流的流速分布规律，与实验数据有一定的差值，但变化趋势相同；断面掺气浓度自渠底向水面方向逐渐增加，且底部增幅较小，上部增幅较大。
　　对掺气坎水流进行数值模拟，得出3种不同单宽流量和3种不同坎高对水流流态、流速、掺气浓度以及空腔特性的影响。结果表明：在计算的流量范围内，当单宽流量增大时，断面掺气浓度增大，空腔长度也增大，但当流量增大到一定程度，空腔长度趋近极值；而同一流量时，近壁面掺气浓度沿程降低，符合掺气浓度沿程分布规律，但计算值沿程衰减较慢，且与实验值有一定的差值，这是由于计算初期网格划分的密度及泄流壁面边界层等的处理会影响模拟精度。一定范围内，坎高增大时，断面掺气浓度增大，空腔长度也增大，但要是坎高超出范围继续增大，容易导致空腔内积水影响掺气效果。

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主要符号表

1.绪论

1.1研究背景

1.2掺气水流

1.3掺气减蚀

1.4掺气水流的研究现状

1.5研究的主要目的和内容

1.6本章小结

2.数学模型和数值计算方法

2.1 FLOW-3D简介

2.2 基本控制方程

2.3 数学模型

2.4数值计算方法

2.5流场数值计算方法

2.6网格的选择和生成

2.7边界条件

2.8本章小结

3.明渠自掺气水流的数值模拟

3.1几何模型的建立

3.2网格的划分

3.3边界条件及算法

3.4计算结果分析

3.5本章小结

4.掺气坎水流的数值模拟

4.1几何模型的建立

4.2网格的划分

4.3边界条件的及算法

4.4计算结果分析

4.5本章小结

5.结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献