水闸水力特性三维数值模拟研究及结构优化

摘要

目前，物理模型试验与数值模拟计算的结合日益紧密，共同为工程建设发挥着重要作用。本文以巢湖东大圩进洪闸为研究对象，采用Fluent软件和物理模型试验对该闸进行了相关数值计算和试验研究。采用CAD及GAMBIT软件建立水闸整体模型及断面模型并导入Fluent，采用非结构化网格和隐式算法，以标准的k—ε紊流模型封闭Reynolds方程，采用VOF法追踪自由水面，对东大圩进洪闸进行了三维数值模拟计算。数值模拟计算主要分三个方面内容:首先是计算水闸最不利工况下的泄流能力以及6种工况下的闸门开度与泄流量关系;然后模拟水闸泄流，分析比较各种布置方案下的闸下游水流流态，对消能工进行修改优化;最后模拟不同的闸门开启方式，通过观察闸下流态确定水闸在运行管理中的最佳开启、关闭方式。同时为验证数值模拟计算的可行性，在满足重力相似的准则下采用正态模型进行物理模型试验。对比分析数值计算与模型试验结果，得出结论:1、水闸在最不利工况下泄流能力满足设计要求;2、对五种结构布置方案进行了计算与试验，对比分析得出修改方案四消能效果最好，选为优化布置方案;3、闸门最佳开启顺序为1＃、6＃孔→3＃、4＃孔→2＃、5＃孔，关闭顺序与之相反。4、数值计算与物理模型试验结果吻合良好，说明数值模拟计算在研究泄水建筑物问题上是可行的。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 物理模型试验研究现状

1．2．2 数值模拟研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 相关紊流计算理论与分析方法

2．1 流体动力学控制方程

2．1．1 质量守恒定律

2．1．2 动量守恒定律

2．1．3 组分质量守恒定律

2．1．4 紊流控制方程

2．1．5 控制方程通用形式

2．2 紊流模型

2．2．1 雷诺时均方程

2．2．2 大涡模拟(LES)

2．2．3 直接数值模拟(DNS)

2．3 常用离散分析方法

2．4 FLUENT运用处理

2．4．1 压力-速度耦合关系的处理

2．4．2 边界条件

2．4．3 自由面的处理

2．4．4 收敛性判断准则

2．5 本章小结

第三章 数值模拟计算

3．1 工程概况

3．2 模型的建立与网格划分

3．3 数值模拟计算

3．3．1 泄流能力及水位流量关系

3．3．2 消能工及闸底板高程优化

3．3．3 闸门管理运用

3．4 本章小结

第四章 物理模型试验

4．1 模型设计

4．1．1 整体模型

4．1．2 断面模型

4．2 试验结果对比分析

4．2．1 流试验对比

4．2．2 消能工优化试验对比

4．2．3 闸门开启试验对比

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献