低佛氏数消能工的水力特性研究

摘要

在低水头、低佛氏数的水利工程中，常采用底流式消能工，其特点是消能效率较低，对下游河床的冲刷严重，甚至影响到水利工程的正常运行。所以，低水头水利工程的难题之一就是如何解决低佛氏数、低水头水利工程的消能防冲问题。
　　采用水闸实例作为低水头消能工的研究对象，拟采用VOF多相流模型和k-ε紊流模型相耦合的计算模型来对多种新型消能工的水气两相流进行数值模拟，并将它们与SAF型消能工在消能效果、流态分布等方面进行比较，从中获得消能效果相对较好的新型消能工。孔式消能坎是影响消力池消能效果的关键因素之一，通过对消能坎的设置位置、孔中心距离比、下游面坡比等方面进行优化设计来提高消能效率。在池长缩短的条件下，将其与传统的SAF型消能工进行消能防冲比较，对实际工程建设具有一定的参考价值。
　　研究结果表明：在低水头、低佛氏数的水流条件下，新型消能工在池长缩短15%的情况下与传统消力池的消能效果大致相同，而且新型消能工结构简单，施工方便，用于低水头、低佛氏数水流条件消能安全可靠，适于推广应用。

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第一章 绪论

1.1 低水头消能工研究背景及意义

1.2.1 研究的背景

1.2.2 研究的意义

1.2 低佛氏数水跃的特点

1.3 消能防冲设计

1.3.1 常见四种消能型式

1.3.2 提高底流能消能率的工程措施

1.3.3 低水头消能工型式

1.3.4 其它型式的消力池

1.4 本文研究的内容和期望

1.4.1 研究的主要内容

1.4.2 研究的预期效果

1.5 本章小结

第二章 紊流数值模拟理论

2.1 流体运动的控制方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 N-S方程

2.2 紊流数值模拟方法

2.2.1 直接数值模拟法

2.2.2 非直接数值模拟法

2.3 紊流模型

2.3.1 零方程模型

2.3.2 一方程模型

2.3.3 两方程模型

2.3.4 Reynolds应力方程模型(RSM)

2.4 网格及边界条件

2.5 数值模拟求解方法

2.5.1 有限差分法(FDM)

2.5.2 有限元法(FEM)

2.5.3 有限体积法(FVM)

2.5.4 有限分析法(FAM)

2.6 自由表面处理方法

2.6.1“刚盖”假定法

2.6.2 标高函数法

2.6.3 MAC法

2.6.4 VOF法

2.6.5 Level Set函数法

2.7 水流数值模拟软件

2.8 本章小结

第三章 消能工数值模型的水力计算

3.1 模型的泄流计算

3.1.1 涵闸型式的出流

3.1.2 开敞型式的出流

3.2 低水头消能工计算

3.2.1 SAF型消力池

3.2.2 新型消力池

3.3 消能率计算

3.3.1 综合消能措施的消能原理

3.3.2 消能效率的计算

3.4 本章小结

第四章 数值模拟

4.1 数学模型

4.1.1 标准k-ε紊流模型

4.1.2 求解方法

4.1.3 自由面的处理方法

4.1.4 边界条件

4.2 低水头消能工的对比研究

4.2.1 模型概述

4.2.2 模型的建立和模拟结果

4.3 H型消能工的优化设计

4.4 H型消能工的验证

4.4.1 模型概况

4.4.2 结果分析

4.5 小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文