溢洪道掺气坎槽后掺气水流三维数值模拟研究

摘要

随着我国高坝建设的快速发展,一大批高坝水电站正在或即将建设,这些高坝泄水工程一般都具有“高水头、大泄量、窄河谷”等特点,泄水建筑物泄量越来越大,单宽流量进一步增大,泄流流速高达40m/s,有的甚至超过50m/s,水流空化数较小,致使泄水建筑物的某些过流部位常常发生严重的空蚀破坏。国内外工程实践表明,向高速水流中掺气可有效地减免泄水建筑物发生空蚀破坏。因此,深入研究溢洪道掺气水流水力特性对泄水建筑物安全运行具有重要意义。
　　本文采用k-ε混合紊流模型封闭雷诺应力方程,利用双流欧拉法处理自由表面及相间的相互作用,对糯扎渡溢洪道掺气坎槽后掺气水流进行三维数值模拟研究。双流体欧拉法较以往采用的VOF法研究掺气水流,在相间作用力本构方程的构建上考虑了紊流扩散的影响,而且考虑了水气界面传递特性,能够较好地模拟水气混掺、分离的运动特性。
　　利用建立的溢洪道掺气坎三维数学模型,对已进行过物理模型试验的工况进行计算,从溢洪道水流流态、水面线、底板压力、流速、掺气浓度及单宽掺气量等方面与模型试验结果进行了比较,计算值与试验值吻合较好,验证了双流体欧拉法研究溢洪道掺气水流的可行性。
　　应用上述已验证的数学模型对溢洪道掺气坎槽后掺气水流进行详细研究,探讨了掺气坎坎高、坡度、来流流速与掺气量的关系。本文的研究成果可为类似工程设计提供参考依据。

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第一章 绪 论

1.1问题的提出

1.2国内外泄水建筑物空蚀破坏实例

1.3掺气减蚀介绍

1.4本文的主要工作

第二章 水气两相流紊流模型

2.1两相流简介

2.2水气两相流研究现状

2.3双流体模型

2.4欧拉法

2.5数值求解算法

2.6本章小结

第三章 溢洪道掺气坎三维数学模型建立

3.1工程概况

3.2掺气坎槽结构型式

3.3计算区域

3.4边界条件设定及网格划分

第四章 模型验证

4.1模型试验

4.2工况一结果分析

4.3工况二结果分析

4.4本章小结

第五章 掺气水流三维数值模拟研究

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢