高淹没度下闸堰出流水力特性分析与数值模拟

摘要

在水利工程中，闸堰出流是最为普遍的一种水力现象。一般认为平顶堰上闸门开启高度与堰上水头的比值e/H1≤0.65为闸孔出流；e/H1>0.65为堰流。位于我国平原地区的水闸上下游水位落差比较小，按此方法判别，则有些形式上属于堰流，而实际应该属于闸孔淹没出流，从而使得过闸的实际流量远小于设计流量。因为闸堰出流的水力特性分析解决不好，将影响建筑物的正常运行，甚至危及上游地区的人民生命财产，所以在高淹没度下研究平原地区闸堰出流的水力特性及流态的数值模拟是十分必要的。本文通过查阅大量的文献和收集平原地区的有关闸堰出流的有关资料，分析了闸堰淹没出流的水力特性以及高淹没度下的堰流出流的计算；以水槽模型实验为基础，用数值模拟方法模拟闸堰出流下游自由面的情况，得出了一些有意义的结论。研究结果不仅对闸堰的水力计算理论具有一定的实际应用价值，而且对国民经济的发展具有重要的意义。 本文主要研究内容如下： 1、总结目前闸堰出流的基本理论和研究成果及闸堰出流的基本特性，尤其是宽顶堰出流的水力特性。 2、分析现行的关于宽顶堰淹没出流的判别方法。 3、通过理论分析宽顶堰淹没出流的淹没界限，研究高淹没度下的流量计算方法。 4、理论推导出宽顶堰淹没判别标准，通过水槽模型试验对其进行修正，并验证了它的合理性。另外，推导出有底坎的宽顶堰淹没出流综合流量系数的计算公式。 5、通过数值模拟水闸出流的现象，得出自由水面及断面流速的分布情况，以及判别模型试验测量数据与数值模拟的误差。 研究表明：数值计算的结果与闸堰出流的试验数据资料基本一致，因此，数值模拟是对物理试验一个很好的补充。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1问题提出的背景及研究的意义

1.1.1问题提出的背景

1.1.2问题研究的意义

1.2闸堰出流水力特性研究的发展与现状

1.2.1关于闸堰出流水力计算公式研究现状

1.2.2关于闸堰出流流量的影响因素和流量系数的研究现状

1.2.3关于闸堰淹没出流判别条件和淹没系数的研究现状

1.2.4关于高淹没闸堰出流的研究现状

1.3关于闸堰出流流态数值模拟研究的发展与现状

1.3.1关于湍流数值模拟方法的发展和现状

1.3.2关于自由液面研究方法的现状

1.4研究的内容和目标

第2章闸堰出流的理论研究

2.1闸堰出流的水力特性研究

2.2闸堰出流的水力计算

2.3闸堰出流的流量系数μ的确定

2.4闸堰的判别及淹没界限的确定

2.5闸堰出流的淹没系数σs的确定

2.6本章小结

第3章闸堰出流的淹没判别与流量计算

3.1.闸孔出流的淹没界限

3.2堰流出流的淹没界限

3.3闸堰出流的流量计算

3.4本章小结

第4章模型试验及试验结果分析

4.1试验装置及方法

4.1.1试验装置

4.1.2试验方法

4.2试验成果及分析

4.2.1水流现象及流速分布

4.2.2闸堰淹没界限的数据分析

4.3闸堰淹没出流综合流量系数拟合

4.4本章小结

第5章紊流模式理论与数值方法

5.1基本方程

5.2紊流基本模型

5.3数值计算的方法

第6章闸堰出流数值模拟

6.1控制方程

6.1.1流体运动的基本方程

6.1.2RNG k-ε紊流模型

6.2通用方程

6.3有限体积中的网格离散方程

6.3.1离散方程应该遵循的原则

6.3.2交错网格求解方程

6.4流场数值计算

6.4.1流场计算方法

6.4.2 PISO算法

6.5自由表面的处理

6.6固壁边界处理

6.7边界条件和初始条件

6.7.1边界条件

6.7.2初始边界条件

6.8数值模拟结果与试验比较分析

6.8.1数值模拟结果

6.8.2数值模拟和实测结果的分析

第7章结论与建议

7.1研究结论

7.2建议及进一步研究的内容

参考文献

致谢