分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用水力特性的数值模拟

摘要

分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用是一种新型的掺气消能设施，文献[37]对其进行了模型试验，本文通过FLUENT软件对该设施进行三维数值模拟，并与试验结果进行对比，以便对该设施进行推广应用。
　　分流齿墩掺气设施的结构形式比较复杂，台阶式溢洪道也是一种复杂形体，在进行网格划分时，除采用结构网格外，在分流齿墩掺气设施墩头处采用非结构加密网格，在台阶内部进行局部网格加密，自由液面采用VOF法捕捉，采用RNGk-ε模型进行计算。
　　数值计算主要研究分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的水流流态、流速场、压强场和消能效果。
　　分流齿墩掺气设施分为掺气分流墩流态和齿墩流态，数值模拟研究了这两种挑射水流流态的水舌最大和最小射距、台阶内漩涡中心的位置、边墙水面线。水舌最大和最小射距与模型试验稍有差异，但变化规律一致;漩涡中心距台阶凹角的相对距离约为0.17～0.42;边墙水面线在掺气量较小时，与实测结果基本一致，在掺气量较大时，计算值小于实测值。
　　齿墩墩头处的最大压强发生在距墩底约hi/△=0.7处，墩头侧面切点附近出现负压，在切点以后，负压逐渐减小。在齿墩流态情况下，整个墩顶均为负压，在墩顶x0/l0=0.25、y0/(b0/2)=0～0.34范围内出现最大负压，在最大负压中心以外，压强逐渐增大。
　　水舌最大压强的冲击区域为0.1＜x'/X0＜0.3，最大相对压强P'max/P0随着堰上水头的减小而增大，随墩前未扰动断面弗劳德数和台阶式溢洪道坡度的增大而增大。
　　台阶水平面的压强与单纯台阶式溢洪道的压强分布一样，由台阶凹角向凸角逐渐减小，在台阶漩涡中心有一压强极小值，随后压强逐渐增大，在x/b=0.88处有一压强最大值，在台阶凸角处压强又减至最小，甚至出现负压。台阶竖直面在y/a=0.65～0.7处出现负压，在y/a=0.8处负压最大。台阶水平面漩涡中心、台阶凸角处和台阶竖直面压强最小处的相对时均压强沿程均呈波浪式变化。
　　台阶内部的紊动能最大，最大紊动耗散率的位置与紊动能基本一致，随着堰上水头的增大和台阶式溢洪道坡度的减小，紊动耗散率增大。
　　分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的消能率随着弗劳德数和台阶式溢洪道坡度的增大而增大。与单纯台阶式溢洪道相比，消能率提高了7.4％以上。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 台阶式溢洪道的研究背景

1．1．1 掺气挑坎与台阶式溢洪道联合应用的研究

1．1．2 宽尾墩与台阶式溢洪道联合应用的研究

1．1．3 掺气分流墩与台阶式溢洪道联合应用的研究

1．2 台阶式溢洪道的数值计算分析

1．2．1 单纯台阶式溢洪道的数值计算

1．2．2 宽尾墩与台阶式溢洪道联合应用的数值计算

1．2．3 掺气挑坎与台阶式溢洪道联合应用的数值计算

1．2．4 齿墩水力特性的数值计算

1．3 台阶式溢洪道研究存在的主要问题

1．4 本课题的主要研究内容

1．5 本课题的研究方案和技术路线

1．6 课题的主要难点及采取解决方案

1．7 预期研究成果

1．8 本章小结

2 紊流数值模拟理论

2．1 紊流基本方程和数值模型

2．1．1 紊流基本方程

2．1．2 紊流模型

2．2 数值方法

2．3 流场数值计算算法

2．4 自由水面的处理方法

2．5 初始条件和边界条件

2．6 本章小结

3 分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道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 分流齿墩掺气设施与台阶式溢洪道联合应用的水流流态

4．1 台阶式溢洪道的水流流态

4．2 水舌最大、最小挑距

4．3 台阶式溢洪道的水面线

4．4 本章小结

5 台阶式溢洪道的速度场

5．1 台阶式溢洪道上的流速等值线分布

5．2 台阶断面流速分布

5．3 本章小结

6 台阶式溢洪道的压强场

6．1 齿墩墩头的压强分布

6．1．1 齿墩墩头迎水面时均压强沿墩高分布

6．1．2 墩头侧面时均压强沿墩高分布

6．1．3 墩头时均压强系数沿横断面分布

6．1．4 墩头顶部压强分布

6．2 台阶式溢洪道上的压强分布

6．2．1 水舌冲击区压强分布

6．2．2 单个台阶水平面时均压强分布

6．2．3 台阶水平面相对时均压强沿程分布

6．2．4 单个台阶竖直面时均压强分布

6．2．5 台阶竖直面相对时均压强沿程分布

6．3 本章小结

7 消能效果

7．1 紊动能和紊动耗散率

7．2 消能率

7．3 本章小结

8 结论和建议

致谢

参考文献

附录

A 攻读硕士学位期间发表的论文

B 攻读硕士学位期间参加的科研项目

C 攻读硕士学位期间获得的荣誉