窄缝收缩段水流特性及数值模拟

摘要

本文抓住窄缝挑流水舌在纵向空间充分扩散的主要特征,考虑到收缩段内水流的纵向流速远大于横向流速,压强沿纵向变化远大于沿横向的变化,从而忽略了横向变化对收缩段水流特性的影响,按二维问题分析水流特性沿纵向平面的变化规律.应用N-S方程、连续方程、能量方程,建立了窄缝挑坎收缩段内水力要素的数学模型,采用离散差分的方法进行了数值模拟计算,计算结果与实验结果比较表明模型与计算方法的正确性,可以用来计算底板压力和分析收缩段内水流特性. 从窄缝挑坎收缩段水流的连续方程和能量方程入手,对窄缝挑坎水流出射角的确定进行分析研究,得出了计算窄缝挑坎水流出射角的公式,计算结果表明了公式的正确性,可以用来确定窄缝挑坎水流的出射角. 对窄缝射流空中碰撞消能率的研究,目前为止还没有研究过.本文以挑距最大质点的出射角为分界点,将窄缝出口断面水流分成两部分,并将这两部分水流看作两个质点,忽略空气阻力、破碎、掺气等影响,将质点的运动轨迹看作具有一定初速度和出射角的自由抛体运动,此过程中质点发生碰撞.推导了碰撞消能率公式,并对一例子进行了消能率的计算.

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1消能方式

1.2窄缝消能工

1.2.1工程实例

1.2.2窄缝消能工的研究

1.2.3窄缝消能工的研究现状分析

1.3关于数值模拟

1.3.1数值模拟的概念

1.3.2数值模拟的步骤

1.3.3数值模拟方法的特点

1.3.4数值模拟的意义、局限性和前景

1.4本文研究的目的、研究方法、内容及预期效果

1.4.1研究目的

1.4.2研究方法

1.4.3研究内容

2窄缝消能工的水流特性

2.1窄缝挑坎的体型特征

2.1.1收缩比

2.1.2挑角

2.1.3长宽比

2.2收缩段中的水面线特征

2.3动水压力的分布特征

2.4脉动、振动特征

2.5窄缝挑流的流态特征

2.6窄缝挑坎的消能机理

3窄缝收缩段水力计算模型

3.1窄缝收缩段水力计算方法概述

3.2模型的建立

3.2.1建模思想

3.2.2模型建立

3.3本章小结

4数值计算及算例分析

4.1数值计算

4.1.1 Matlab语言简介

4.1.2微积分运算及计算精度的控制

4.1.3计算流程

4.2算例分析

4.2.1压力

4.2.2流速

4.2.3流线

4.2.3Fr、η、L/B的影响

4.3本章小结

5窄缝挑坎出流水舌出射角的计算

5.1窄缝挑坎出流水舌出射角计算公式的推导

5.1.1简化法推导水舌出射角公式

5.1.2水舌出射角公式的推导

5.2出射角公式中λ的分析

5.3Fr、η、L/B对出射角的影响

5.6本章小结

6窄缝射流水舌空中碰撞消能率计算

6.1空中碰撞消能基本形式

6.2窄缝射流水舌空中碰撞研究

6.2.1碰撞前后相关参数的计算

6.2.2空中碰撞消能率计算

6.2.3空中碰撞动能消能率计算

6.3算例

6.4本章小结

7结论与展望

7.1窄缝收缩段水流研究主要成果

7.2展望

致谢

参考文献

附录