重力式水洞设计数值模拟研究

摘要

水洞像风洞一样，是流体力学基本研究的主要工具。在水洞中可以研究如流动与实验物体之间的作用力，边界层现象，湍流，特别是气蚀，水弹性现象和自由液面现象。水洞种类之一的重力式水洞依靠水的势能来提供动力。本文的研究背景为某一即将建设的大型重力式水洞，在水洞建设前进行一些设计上的数值模拟显得尤为重要。 本文根据实际的重力式水洞情况并利用商业软件FLUENT对建立起来的模拟模型进行了求解，对结果进行了分析并进行了优化选取。 本文的研究内容可分为四个部分： (1)收缩段的数值模拟研究，对低速风洞常采用的三种收缩曲线、维氏曲线、五次曲线以及双三次曲线的圆变圆收缩段、圆变方收缩段进行了模拟计算并且比较分析，从工作段流动均匀稳定的优化角度出发，最终圆变圆收缩段采用维氏曲线，圆变方收缩段采用五次曲线。 (2)扩张段的数值模拟研究，根据扩张段空化数的选取原则，选取了扩张段的扩张角度为3°，同时验证了扩张段具有改善水洞工作段速度均匀性的作用。 (3)整体模型，建立起重力式水洞的整体数值模型并通过给定符合真实流动下的压强条件，计算出水洞流量，速度，压强以及相关的流动参数。 (4)调压装置，通过工作段末段架设水箱，利用小孔出流原理建立可调压的水洞数值模型，验证了架设水箱可以改变水洞内压强这一方法的可行性。