多洞联合挑流泄洪流场及下游冲刷的数值模拟研究

摘要

泄水建筑物作为水利工程中一个重要的组成部分，主要承担着原河道洪水正常宣泄的重要任务。在传统的消能方式中，挑流消能是一种比较经济，施工方便的消能形式，特别适用于尾水较低且基岩条件较好的情形。在挑流鼻坎和水流的共同作用下，河床会发生局部冲刷，严重时甚至导致下游河床冲毁从而引起水利枢纽的破坏。但是，由于流场及泥沙运动的复杂性，挑流水舌冲刷情况往往难以精确计算，大部分研究都是依据模型试验来解决。然而，随着数值计算技术的发展，数值模拟逐渐成为对泄水建筑物及其水力特性强有力的研究手段。
　　在正确的边界条件、合理的网格划分以及恰当的数学模型选择的前提下，数值模拟能够真实反映模拟对象的水力特性。本文从N-S方程出发，采用有限体积法离散控制方程，比较多种湍流模型的优缺点，选择了RNG k?ε紊流模型，并结合VOF法处理自由水面，网格均采用结构化非均匀矩形网格。
　　本文在回顾前人研究成果的基础上，基于商业软件FLOW-3D和Gambit首先对矩形薄壁量水堰、琴键堰流场及单丁坝周围的局部冲刷进行了三维数值模拟研究，验证了采用该软件对此类建筑物进行数值模拟的可行性，然后重点研究了九甸峡水电站泄水建筑物右岸泄洪洞、左岸双洞式溢洪洞出口及下游河床的流场和冲刷情况，详细分析了原设计方案与优化方案在设计（两种运行组合）与校核工况下挑流流场的水流流态、流速分布、水舌挑距及河床冲淤形态等方面。模拟结果表明，本文所采用的数学模型和数值方法可以很好地模拟泄洪洞及溢洪洞下泄水流冲刷河床的动态过程，对比两种方案可知，优化方案优于原设计方案。同时，将计算结果与试验值进行对比，对造成误差的可能性进行分析，为解释河床的冲刷机理奠定了一定的理论基础。

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主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 数值模拟的研究进展

1.4 本文的主要工作

2 紊流数值模拟的理论研究

2.1 紊流模型与控制方程

2.2 数值计算方法

2.3 边界条件处理

2.4 自由表面处理

2.5泥沙运动方程

2.6 小结

3 计算软件及数值求解方法

3.1 FLOW-3D简介

3.2 数值方法选择

4 模型验证与分析

4.1 薄壁堰过流三维数值模拟

4.2 琴键堰过流三维数值模拟

4.3 单丁坝局部冲刷模拟

4.4 小结

5 工程应用

5.1 工程及任务简介

5.2 三维数值模拟及流场分析

5.3 模拟结果及分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献