非对称溢洪道进口水力特性的数值模拟研究

论文摘要

溢洪道作为水利工程中的重要建筑物,承担着疏浚泄洪、维护工程安全与稳定的作用,其型式及布设方式直接影响着工程安全。溢洪道常布置于岸边或垭口,择取有利地形,并需考虑地形结构、岩体特性及水文地质因素给泄洪带来的不利影响。现行水利工程中,以具备泄洪任务重、来流水位高、河床范围窄等特质者居多,安全平稳泄流便成为设计此类工程的着重研讨课题。受地势地质等环境要素的制约,其进口所处地貌通常较为复杂。在宣泄洪水时,绝大多数工程的水流流向均垂直于引渠段进口。考虑到工程特点、地质特征、施工环境及经济等因素,部分工程布设溢洪道进口段时地势条件不理想、地形曲折,进口段型式为非对称,从而致使来流偏转、水体流动形式复杂。非对称进口来流会导致泄洪时溢洪道进口段流态紊乱,有复杂漩涡生成,溢洪道两侧壁水深不等的现象,进而致使溢洪道泄流能力不稳。因此,应充分认识溢洪道进口段复杂地质形式,综合考虑地形地质、开挖方量等特点,对溢洪道进口段进行合理优化,以保证建筑物稳定安全运行。以往针对溢洪道的研讨,大多仅局限于来流条件良好的情况,而溢洪道进口地势条件不利状况的研究较少。针对溢洪道进口的模拟,由于涉及水气两相流及流体与建筑物、流体之间相撞击等问题,其数值选型及精确模拟是计算流体力学的一大难点。本文以某水利工程为研究背景,针对非对称来流下的溢洪道进口段,进行多种布置方案的数值模拟研究。关键研究方法及所得成果如下:(1)为改善其非对称进口给来流造成的不利影响,利用CLSVOF法建立自由表面两相流模型,RNG k~ε紊流模型模拟进口湍流。选取有限体积法以离散控制方程,采用瞬态PISO算法将压力与速度场进行耦合,非结构网格处理计算域复杂边界,针对溢洪道多种运行工况进行数值计算研究。分析进口段流速及下游水位分布,经优化和分析对比,提出在进口段设置两段20m长、13.6 m高的平行导流墙作为推荐优化方案。(2)模型试验用以判定数值模拟结果的准确性,依据重力相似准则制成试验模型,其比尺为1:40,针对溢洪道校核工况进行模型试验探究。试验观测各运行工况下溢洪道整体及细部流态,测得沿程水位、特征断面流速与堰面压强系列水力要素分布,将空化现状、冲刷形态的因素考虑其中。结果表明,所选优化型式有效消除了进口漩涡,因非对称来流造成的流态紊乱、局部水面壅高及在边墙形成水翅等不利现象得到改善,溢洪道整体水力特性符合工程要求。(3)综合考量不同数值模型对运算结果的影响,Standard k~ε模型、RNG k~ε模型、Realizable k~ε模型分别结合CLSVOF方法对校核工况下优化方案进行计算分析。通过试验实测值对数值计算结果进行准确性验证,引入变异系数计算其与试验所得数据的拟合程度。比选出最能真实模拟实际工程流动状态的计算模式,总结出RNG k~ε为最适宜描述此工程实际运行情况的紊流模型。(4)应用数值模型对溢洪道进口段进行多种导流墙优化型式的探究,对比不同型式的进口导流墙对引渠段恶劣漩涡、溢洪道局部水位壅高等系列问题的改善效果。综合分析工程选址处地势特征、优化方案的调整范围,总结得出15~20m长为本工程溢洪道进口导流墙的最佳优化范围。本文研究了进口地势不利条件下溢洪道的水力特性,为深入分析引渠段复杂流场提供了技术保障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 溢洪道工程特点
•   1.3 国内外相关研究综述
•     1.3.1 溢洪道研究现状
•     1.3.2 溢洪道进口水力特性研究
•     1.3.3 流体对水工建筑物作用力研究
•     1.3.4 溢洪道导流墙研究现状
•   1.4 本文研究内容及方法
•   1.5 本章小结
• 2 紊流数值模拟理论探讨
•   2.1 基本控制方程
•   2.2 紊流数值计算
•     2.2.1 Standard k-ε模型-9 -
•     2.2.2 RNG k-ε模型
•     2.2.3 Realizable k-ε模型
•   2.3 数值离散方法
•   2.4 流场数值计算
•     2.4.1 SIMPLE算法
•     2.4.2 SIMPLEC算法
•     2.4.3 PISO算法
•   2.5 自由表面追踪
•     2.5.1 VOF水气两相流模型
•     2.5.2 Level-Set方法
•     2.5.3 CLSVOF方法
•   2.6 本章小结
• 3 某工程溢洪道进口数值模拟研究
•   3.1 工程概况
•     3.1.1 模型比尺及范围
•     3.1.2 试验量测设备
•     3.1.3 模型试验主要内容
•   3.2 三维数学模型建立
•     3.2.1 复杂计算区域处理
•     3.2.2 边界条件设定
•     3.2.3 进口导流墙优化方案
•   3.3 数值模拟前期准备工作
•     3.3.1 计算方法初步选型
•     3.3.2 计算区域初始化
•     3.3.3 计算稳定性与收敛性
•   3.4 试验结果及分析
•     3.4.1 进口流态
•     3.4.2 沿程水位
•     3.4.3 堰面压强
•     3.4.4 特征断面流速
•     3.4.5 空化数分布
•     3.4.6 冲坑形态
•   3.5 本章小结
• 4 数值计算模型比选
•   4.1 水面线对比分析
•   4.2 动水压强对比分析
•   4.3 断面流速对比分析
•   4.4 本章小结
• 5 溢洪道进口优化方式探究
•   5.1 进口流态
•   5.2 沿程水位
•   5.3 堰面压强
•   5.4 特征断面流速
•   5.5 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 高琦

导师: 艾丛芳,刘亚坤

关键词: 溢洪道,非对称进口,导流墙,方法,模型,物理模型试验

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程,水利水电工程

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金项目(51479022),辽宁省博士科研启动基金(20180540132),国家重点研发计划项目(2016YFC0402504),中央高校基本科研业务费专项资金资助(DUT17RC(3)100),(DUT19LAB35)

分类号: TV651.1;TV135

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000225

总页数: 95

文件大小: 5241K

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