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高水头明流泄洪洞三维数值模拟研究

作　者: 罗永钦
导　师: 刁明军
学　校: 四川大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 高水头明流泄洪洞三维数值模拟掺气减蚀
分类号: TV135
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 249次
引　用: 4次
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内容摘要

近年来，随着我国水电建设的发展，一大批高坝水电站正在或即将修建，其岸边常常需要修建泄洪洞以渲泄多余的洪水。由于水头高，流速大，明流泄洪洞的掺气减蚀越来越受到重视。高坝泄洪洞洞内水流水头高，流速大，高速水力学问题不容忽视，因此在设计研究过程中，泄流能力、洞顶余幅、掺气设施位置及体型选择等都是研究的重点。由于高速明流泄洪洞中的水流的复杂性，目前尚没有较完善的分析方法，往往借助于物理试验方法加以研究。现代一般对较大规模的水工建筑物，都要求通过模型试验来验证，修改设计，这样才能保证使结构设计得合理、经济而又安全，但是物理模型试验存在信息获得不全面、比尺效应、干扰流场、耗时费力等缺点。数值模拟具有易于改变各种参数，有利于进行多方案的变换比较等优点，近些年来，随着计算机计算能力的提高，采用数值模拟来对高速明流泄洪洞进行模拟研究已成为一种新的趋势，数值模拟和物理模型试验研究相结合的方法对泄洪洞内水流运动进行研究是一种较为理想的方法。本文主要结合物理试验研究成果，采用数值模拟的方法对溪洛渡3~#泄洪洞进行了研究。研究主要分两部分，一是选择了XA22方案作为设计体型，采用数值模拟的方法对设计体型进行了优化设计，得到数值模拟的推荐体型；二是为了验证数值模拟的可靠性，根据物理试验结果，对试验推荐体型进行了数值模拟。针对泄洪洞内的水力学特性，从数值模拟的角度，把对泄洪洞的数值模拟归结为：在复杂边界条件下，对带有自由表面的复杂水力学问题的数值模拟。在数值模拟研究过程中，就工程应用而言，基于能最大程度得到所需的水力参

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
1 概论  9-14
  1.1 掺气水流  10-11
  1.2 掺气减蚀措施  11
  1.3 高水头泄洪洞数值模拟研究现状  11-12
  1.4 本文研究的方法和内容  12-14
    1.4.1 研究对象及特点  12-13
    1.4.2 本文的研究方法、目的及内容  13-14
2 水力学数值模拟理论探讨  14-22
  2.1 水力学数值模拟计算方法  14-15
  2.2 水力学数值模拟计算模式  15-17
  2.3 水力学数值模拟计算难点  17-19
    2.3.1 速度-压力的藕合计算  17
    2.3.2 自由面处理方法  17-18
    2.3.3 高速水流的数值计算  18-19
  2.4 关于网格划分问题讨论  19-20
  2.5 收敛问题及误差估计的讨论  20-22
3 高水头明流泄洪洞数值模拟  22-36
  3.1 重整化群k-ε模型  22-24
  3.2 有限体积法  24-25
  3.3 VOF水气两相流模型  25-27
  3.4 贴体坐标系法和分块结构化网格  27-28
  3.5 计算前期规划准备  28-31
    3.5.1 网格剖分方法的确定  28-30
    3.5.2 分段式数值模拟研究  30-31
    3.5.3 后处理方法探索  31
  3.6 计算域及网格划分  31-36
4 数值模拟结果分析  36-53
  4.1 优化体型Ⅰ计算结果分析  38-43
    4.1.1 压力及空化数分布  38-42
    4.1.2 掺气空腔形态及通气量  42-43
  4.2 优化体型Ⅱ计算结果分析  43-47
    4.2.1 压力及空化数分布  43-46
    4.2.2 掺气空腔形态及通气量  46-47
  4.3 优化体型Ⅲ计算结果分析  47-51
    4.3.1 压力及空化数分布  47-49
    4.3.2 掺气空腔形态及通气量  49-51
  4.4 本章小结  51-53
5 模型试验结果验证  53-72
  5.1 水面线、流速分布验证  55-64
  5.2 压力特性验证  64-66
  5.3 掺气特性验证  66-70
  5.4 本章小结  70-72
6 结语  72-74
参考文献  74-78
作者在读期间发表论文及参加科研项目的情况  78-80
致谢  80

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