数值模拟在泄洪洞掺气减蚀设施体型优化试验中的应用

摘要

人工掺气减蚀设施能有效的降低泄洪洞内的空蚀现象,但掺气设施的体型设计缺乏可靠的设计理论。在设计过程中,常用水工模型试验对设计方案进行验证,进而提出相应的优化方案。通过模型试验进行体型优化有较多的局限性,使用数值模拟辅助模型试验能有效的解决这种问题。
　　本文系统的阐述了泄洪洞高速水流空化与空蚀现象的产生机理,以及人工掺气减蚀设施的原理与研究思路,通过对各项理论的总结,提出体型优化的具体方式。在确定优化方式后,通过对数值方法及相关试验规范的深入研究,制定合理的试验方案,根据实际情况选择欧拉模型作为数值计算模型,并提出相应的数值计算过程。
　　本文的研究实例为典型的高水头泄洪洞,选择该泄洪洞的一号掺气坎作为研究对象。该处的断面流速介于高速水流与低速水流之间,这种水力条件下的掺气设施体型设计难度较大,通常需要多次优化才能得到合理的体型。本研究实例首先通过对原方案先后开展模型试验和数值计算,通过比对各项重要参量,验证数值计算精度。在计算精度得到验证后,采用原方案的水力条件,使用数值模拟进行体型优化,提出满足设计要求的推荐方案。最后,对推荐方案开展模型试验,并在同样的水力条件开展数值计算,再次验证数值计算精度。进行数值计算精度验证时,计算工况分别选择正常蓄水位和校核洪水位,通过分析比对水面线、洞顶余幅、沿程压力、空化数和掺气量,分析计算结果与试验结果的误差,并分析误差产生的可能性;进行体型推导的数值计算时,选择正常蓄水位作为体型推导的计算工况,通过分析空腔形态、掺气量两个因素,判定体型是否合理,如不合理,根据掺气设施的优化设计思路,调整体型设计,直至找出合理的掺气设施体型。本文的研究实例表明:数值计算得到的推荐方案得到了模型试验的验证,数值计算的结果与试验成果较为接近。

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第一章 绪 论

1.1 高速水流掺气减蚀的研究背景

1.2 高速水流的空蚀现象与掺气减蚀的主要技术问题

1.2.1 空化与空蚀现象的产生机理及衡量标准

1.2.2 泄水建筑物易发生空蚀现象的部位

1.2.3 高水头泄洪洞的防蚀

1.2.4 掺气减蚀设施研究的主要技术问题

1.3 本课题的提出及研究内容

第二章 泄洪洞掺气减蚀设施的设计思路和研究办法

2.1 泄洪洞掺气减蚀设施的设计思路

2.1.1 基本原则

2.1.2 泄洪洞掺气设施的工程形式

2.1.3 泄洪洞掺气减蚀设施的基本体型与组合

2.1.4 掺气减蚀设施体型优化设计思路

2.2 泄洪洞掺气减蚀设施体型优化的试验研究方法

2.2.1 模型设计

2.2.2 模型组成

2.2.3 模型安装

2.2.4 试验内容及成果:

2.3 泄洪洞掺气减蚀设施体型优化的数值模拟方法

2.3.1 掺气数值计算涉及的计算流体动力学概述

2.3.3 使用欧拉法分析掺气减蚀的数理模型理论及计算方法选择

2.4 数值模拟与模型试验相结合的新方法

2.4.1 泄洪洞掺气减蚀水工模型试验的局限性

2.4.2 泄洪洞掺气减蚀数值模拟的局限性

2.4.3 模型试验与数值模拟结合的研究方法提出

第三章 泄洪洞掺气设施体型优化数模与物模结合实例

3.1 工程概况及设计资料

3.1.1 工程概况及选择的研究对象

3.1.2 水力设计资料

3.2 水工模型试验方案

3.2.1 模型试验的控制条件

3.2.2 模型设计及试验内容

3.3 数值模拟的范围选取及计算模型

3.4 数模和物模结合的体型优化过程

3.4.1 原方案模型试验和数值模拟成果比对

3.4.3 推荐方案模型试验和数值模拟成果比对

第四章 结论与展望

4.1 主要结论

4.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文