低佛氏数下扭面式消能墩消能机理研究

论文摘要

泄水建筑物作为水利工程建设管理最为重要的一部分,其下游消能防冲一直是工程安全运行的关键,但是对于大量低水头水利工程,水流佛氏数低,消能率不高,易对下游河床造成冲刷威胁,因此如何高效解决低佛氏数下水流消能防冲问题是低水头水利工程亟待解决的重要课题之一。本文基于挑流消能、漩涡消能的原理,在以往常规消能墩基础上提出一种新型的辅助消能工——扭面式消能墩。通过水工物理模型试验与三维数值模拟相结合的方法对消能墩水力特性进行了分析,深入研究了其周围流场分布、流速变化和涡量分布等情况。针对扭面式消能墩对水流流场的改变情况,采用激光粒子测速仪(PIV,Particle Image Velocimetry)对墩体不同部位流经水流进行测量,结果表明,消能墩对于水流流场的调整,主要靠墩体顶部斜面和两侧扭面来实现,通过把平顺的水流改变流向,使得流动过程中主动产生漩涡,不同流速水流相互剪切摩擦,从而对水流能量进行稳定的耗散,论证了扭面式消能工体型的合理性。在消能墩对水流流场改变研究的基础上,对墩体周围区域的涡量场进行进一步分析,结果表明水流在经过扭面式消能墩后,墩后水流涡运动剧烈,水流紊动强度明显增强,水体中能量耗散加快。在物理模型试验的基础上,采用数值模拟的方法对试验工况下消能墩流场特性进行了模拟计算,得到了墩体周围区域流场分布云图和流速矢量图,并且在数值模拟结果中,提取特定断面垂线流速与试验值进行比较,两者结果基本吻合,由此表明数值模拟精度较高,基本能够准确反映扭面式消能墩对于水流流场的改变情况,进一步为扭面式消能墩在工程中的应用提供了可靠的依据。研究成果表明,扭面式消能墩设计方案的提出,为低佛氏数下消能提供了一种新型可行的方案,在后期的开展研究中,可进一步通过优化墩体体型,以达到更好的消能效果。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 低佛氏数辅助消能工研究现状
•     1.2.2 低佛氏数水流紊动特性国内外研究现状
•     1.2.3 泄水建筑物流场数值模拟的发展
•   1.3 本文的研究内容及主要工作
•     1.3.1 本文的研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 2 扭面式消能墩模型试验装置及测量系统
•   2.1 数字化变坡玻璃水槽试验系统
•   2.2 扭面式消能墩制作
•   2.3 试验水深测量装置
•   2.4 粒子图像测速仪（PIV）
• 3 扭面式消能墩水力特性试验研究
•   3.1 试验方案
•     3.1.1 工况组合
•     3.1.2 PIV测速系统及布置
•   3.2 消能墩周围区域二维流场测量及分析
•     3.2.1 消能墩左部
•     3.2.2 消能墩中部
•     3.2.3 消能墩右部
•   3.3 消能墩周围区域垂线流速分布
•     3.3.1 消能墩左部垂线流速分布
•     3.3.2 消能墩中部垂线流速分布
•     3.3.3 消能墩右部垂线流速分布
•   3.4 本章小结
• 4 扭面式消能墩涡量特性理论与试验研究
•   4.1 引言
•   4.2 试验方案
•   4.3 二维涡量场测量及分析
•     4.3.1 消能墩左部区域
•     4.3.2 消能墩中部区域
•     4.3.3 消能墩右部区域
•   4.4 本章小结
• 5 扭面式消能墩水力特性数值模拟
•   5.1 引言
•   5.2 数值计算理论基础
•     5.2.1 Fluent数值模拟方法
•     5.2.2 Fluent求解流程简介
•     5.2.3 初始条件和边界条件
•     5.2.4 网格生成技术
•   5.3 数学模型的建立
•     5.3.1 计算模型的选择
•     5.3.2 自由表面的模拟
•     5.3.3 网格划分和边界条件设定
•   5.4 数值模拟结果与试验对比
•     5.4.1 纵断面流速分布
•     5.4.2 横断面流速分布
•   5.5 本章小结
• 6 结论和展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 董嘉锐

导师: 杨杰,王雯,杨晖

关键词: 扭面式消能墩,模型试验,水力特性,涡量,数值模拟

来源: 西安理工大学

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

单位: 西安理工大学

基金: 国家重点研发计划(2017YFC0504704),国家自然科学基金(51609198),陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2017JQ5063)

分类号: TV135.2

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