高水头充分扩散掺气射流下消力塘的数值模拟

摘要

掺气分流墩和消力塘联合应用是一种新型的消能工。二十世纪九十年代,在国家自然基金的资助下,对高水头充分扩散掺气射流下消力塘进行过水工模型试验,本课题在此基础上,利用 Fluent软件对该模型进行数值模拟,进一步深入了解掺气分流墩设施的水力特性,以便推广应用。
　　根据试验模型,用RNG k-ε模型和PISO算法,利用VOF法捕捉自由液面,采用结构和非结构网格对掺气分流墩和消力塘联合应用进行数值模拟。
　　数值模拟主要进行了掺气分流墩水流流态、水舌的扩散特性、墩头压强特性、消力塘压强特性、水舌流速等值线分布、消力塘流速分布、消力塘的紊动能和紊动耗散率以及消能效果的研究,并将研究结果与模型试验进行对比。
　　水流通过掺气分流墩时分为齿墩流态和掺气分流墩流态,二者的区别在于齿墩流态墩头淹没于水面以下,而掺气分流墩流态墩头高于水面。掺气分流墩水舌为充分扩散的掺气水舌,水舌厚度沿程增大。模拟了最大射距和最小射距,给出了最大射距综合修正系数。模拟了消力塘的水面线,其变化规律与模型试验基本一致,但水深高于模型试验的水深。
　　掺气分流墩墩头最大压强发生在墩头迎水面,沿墩头方向压强逐渐减小,约在xi/Ld=0.5附近,开始出现负压,在xi/Ld=0.87处,负压最大,到墩尾,负压又有所减小。沿墩高方向,最大压强发生在墩头迎水面距墩底 hi/hd=0.395~0.415之间,墩头侧面最大负压发生在hi/?=0.85附近。在齿墩流态情况下,墩头顶部有负压存在,该负压对分流齿墩的应用至关重要。墩头的压强系数在xi/Ld=0时最大,随着xi/Ld的增大,压强系数迅速减小,约在xi/Ld=0.4~0.5附近,压强系数变为负值,在xi/Ld=0.87附近,压强系数达到最小,随后有所回升。
　　消力塘最大压强发生在水舌落点处,来流量越大,相对最大压强越大。在落点处前后压强等值线图变稀,压强逐渐变小。数值模拟所得到的相对最大压强变化趋势与模型试验一致,但其值略小于试验值。当消力塘尾部设台阶时,由于消力塘有水垫,冲击点压强略小于无水垫时的压强。
　　消力塘后部台阶上的压强在1号台阶底部最大,在台阶凸角附近,压强有所降低,但降低幅度不大,沿台阶水平面和竖直面越往后,压强越平稳,整个台阶未发现负压。
　　掺气分流墩墩头顶部到底部流速逐渐减小,绕墩头流动的水流流速沿程逐渐增大,离边壁越远,绕墩头流动的流速越大。抛射水流的流速在重力作用下沿程不断增大。消力塘内流速分布具有相似性,在h’/h为0.06附近流速最大,然后沿水深逐渐减小。台阶上的相对流速分布仍具有相似性,在h’/h=0~0.15范围内,流速先增大后减小,在h’/h>0.15以后,流速开始增大,在水面附近,流速变化减弱。
　　消力塘的最大紊动能和耗散率均出现在射流水舌落点附近以及水跃的旋滚区域。在消力塘后部的台阶上紊动能和紊动耗散率均有较大幅度的降低。掺气分流墩与消力塘联合应用的消能率可达90％以上。
　　掺气分流墩和消力塘联合应用具有很好的消能效果,是一种值得推荐的新型消能工。

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主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外高速水流的消能问题的研究进展

1.3 本课题的主要研究内容

1.4 本课题的研究方案和技术路线

1.5 本课题的主要难点和拟采取的解决方案

1.6 预期研究成果

1.7 本章小结

2 紊流数值模拟理论

2.1 基本控制方程

2.2 紊流模型

2.3 常用数值计算方法

2.4 流场数值计算算法

2.5 自由液面处理

2.6 边界条件

2.7 本章小结

3 掺气分流墩和消力塘联合应用数学模型的建立

3.1 计算模型的建立

3.2 计算模型的网格划分

3.3 边界条件的处理

3.4 求解器的设置

3.5 本章小结

4 掺气分流墩和消力塘联合应用的水流流态

4.1 掺气分流墩的水流流态

4.2 水舌厚度沿程变化和水舌的最大、最小挑距

4.3 消力塘的水面线

4.4 本章小结

5 掺气分流墩和消力塘联合应用的压强场

5.1 掺气分流墩墩头的压强分布

5.2 消力塘底板的压强分布

5.3 消力塘时均压强沿程变化

5.4 有台阶消力塘台阶上的压强分布

5.5 本章小结

6 掺气分流墩和消力塘联合应用的流速场

6.1 掺气分流墩和消力塘联合应用的流速矢量图

6.2 齿墩墩头流速分布

6.3 消力塘流速分布

6.4 本章小结

7 消力塘的消能效果

7.1 紊动能和耗散率

7.2 消能效果

7.3 本章小结

8 结论和建议

致谢

参考文献

附录