管道内部锥阀水流水力特性及消能研究

摘要

本文以马来西亚巴贡水电站放水孔作为研究背景,分别采用了二维和三维的RNG k-ε紊流数学模型,对放水孔内部固定锥阀、消能罩及部分下游管道内的流场进行数值模拟,在求解离散方程的时候采用的是比较成熟的PISO算法,对于自由表面的处理采用两相流中的VOF法。 在二维数值模拟的下给出了水流流经锥阀,在消能罩内部旋滚消能,最终从消能罩射流到下游管道的全部过程,给出了锥阀、消能罩和下游管道中流速矢量和压力分布,并且根据水气体积分数比对锥阀的体形进行了一定的优化。 三维数值模拟研究给出了四种不同水位下,锥阀全开情况时内部水流的流态分布,主要给出了在高水头作用下锥阀及管道内部的垂向和纵向压力分布,水流和空气的体积分数图以及内部的流速矢量图。通过对压力分布图的分析,确定出锥阀内部压力的变化规律和下游管道内部的变化规律；通过对水气体积分数比图中的分析,我们确定出自由水面的位置,以及水流在管道中的变化规律；分析和计算了整体计算区域的流速大小及分布,在计算流速的基础上对锥阀的消能率进行了研究和计算,并将模型计算值和试验实测值进行比较,二者吻合较好,说明计算结果可靠,从而说明了锥阀联合消能罩消能工,其过流能力强,下游水流流态比较平稳,消能效率高。研究成果为泄水建筑物的设计和工程应用提供了参考,具有重要的现实意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

1绪论

1.1论文研究的背景和意义

1.2管道中高速水流的消能

1.2.1孔板消能

1.2.2旋流消能

1.2.3阀口消能

1.3锥阀消能工的定义和研究历程

1.3.1锥阀消能工的定义

1.3.2锥阀消能工的研究历程

1.4选题的意义和目的

1.5本课题的主要工作

2数值模拟的基本理论和锥阀流场的数学模型

2.1数值模拟简介

2.1.1数值模拟的发展及过程

2.1.2数值模拟的局限性和发展前景

2.2锥阀流场的数学模型

2.2.1基本方程

2.3标准的κ-ε模型

2.3.1标准的κ-ε模型的输运方程

2.3.2模型中的其它常数

2.4 RNGκ-ε湍流模型

2.4.1 RNGκ-ε湍流模型的输运方程

2.4.2 RNGκ-ε模型与标准κ-ε的模型的比较

2.5在近壁区使用κ-ε模型的处理方法

2.5.1壁面函数法

2.5.2低Re数的κ-ε模型

2.6掺气水流的基本理论

2.6.1掺气浓度

2.6.2自掺气水流的水深计算

3控制方程的离散方法及计算方法

3.1控制方程的离散方法

3.1.1有限体积法的特点

3.2有限体积法对控制方程离散

3.2.1网格的生成

3.2.2有限体积法(FVM)的网格构成

3.2.3有限体积法离散

3.2.4计算方法

4阀心为锥形的二维数值模拟及仿真

4.1概述

4.2数学模型及网格划分

4.2.1几何模型

4.2.2数学模型

4.2.3网格划分及边界条件

4.3二维模型下的仿真结果及分析

4.3.1体型优化

5锥阀的三维数值模拟及试验对比

5.1概述

5.2数学模型及网个划分

5.2.1数学模型

5.2.2几何模型

5.3实验装置和实验方法

5.3.1各种实验数据的测量

5.3.2试验工况

5.4三维数值模拟及消能分析

5.4.1三维模拟及分析

5.4.2消能分析

5.5表面波动特性的VOF法模拟

5.6下游管道内部压力分布

6总结与展望

6.1研究总结

6.2建议进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录