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泄槽挑流段底部掺气水流特性研究

作　者: 舒蕴璟
导　师: 徐一民; 谢庆明
学　校: 昆明理工大学
专　业: 水利工程
关键词: 水力模型试验掺气设施掺气浓度分布掺气空腔数值模拟
分类号: TV135.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在高速水流引发的众多水力学问题中,泄水建筑物的空化空蚀破坏问题显得尤为突出。通过设置掺气坎等掺气设施来减轻或避免泄水建筑物过流表面的空化空蚀破坏,已经成为一种最有效的防蚀措施。一个成功的掺气减蚀设施,不仅能使水流摄入足够的空气量,而且在较长的范围内能使近壁水流保持一定的掺气浓度。而水流的掺气浓度又与过流边界条件、掺气坎水流流态、掺气空腔特性、进气量等因素密切相关,因此研究复杂边界条件下掺气坎的水流特性及其影响因素十分必要。本文主要通过水力学模型试验,研究泄槽挑流段的掺气水流特性。通过改变掺气坎体型、挑流段反弧半径和来流流量等条件,讨论对水流掺气减蚀效果的影响,分析探讨影响掺气浓度分布及空腔长度的因素。并建立二维数学模型进行数值模拟,采用含水气两相流VOF方法的RNGk-ε湍流模型,模拟不同工况下掺气水流流态、水舌形状、流场分布、掺气空腔特性等。将数值模拟结果与模型试验结果进行对比,以验证数值模拟计算的可行性和准确性。主要内容和研究成果如下：在试验范围内,掺气浓度的沿程分布先逐渐增大后逐渐衰减并趋近于一稳定值。对于掺气浓度的纵向分布,空腔范围内上部掺气水流的浓度分布,先逐渐减小后逐渐增加；空腔下游,掺气水流从底板至水面方向,掺气浓度逐渐增大,越靠近水面,掺气浓度增加越快。掺气水流流速分布沿程逐渐增加,从底板至水面方向水流流速分布先逐渐增大后逐渐减小。当挑流段反弧半径、来流流量一定时,随着掺气挑坎高度的增加,各断面不同水深处的掺气浓度值也随之增加。当挑坎高度、来流流量一定时,随着挑流段反弧半径的增加,挑流段各断面不同水深处的掺气浓度值也随之增加。当挑坎高度、挑流段反弧半径一定时,随着流量的增加,各断面不同水深处的掺气浓度值随之减小。在试验范围内,当流量一定时,随着挑坎高度的增加,空腔长度也随之增加。当坎挑坎高度一定时,随着流量的增加,空腔长度随之减小。通过数值模拟,不同工况的水流经掺气坎后都能形成稳定完整的空腔,泄槽内水流流态平顺,水面波动平稳。掺气水流的流速分布沿程逐渐减小,到达挑流段最低点流速最大。当挑流段反弧半径及流量一定时,随着挑坎高度的增加,空腔长度及高度也随之增加。通过模型试验结果与数值模拟计算结果的对比,两者得出的水流流态是一致的。数值模拟的水舌形状与模型试验结果吻合良好,局部有偏差。对于掺气空腔长度,数值模拟结果偏大,但空腔长度随挑坎的增加而增加这一规律与模型试验结果一致。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-25
  1.1 研究意义  11-12
  1.2 空化与空蚀  12-16
    1.2.1 空化与空蚀的概念  12-13
    1.2.2 空化与空蚀破坏的造成原因  13
    1.2.3 空化与空蚀破坏程度的度量方法  13-14
    1.2.4 空化与空蚀破坏的减免措施  14-15
    1.2.5 空化与空蚀破坏的实例  15-16
  1.3 掺气减蚀  16-23
    1.3.1 掺气水流  16-17
    1.3.2 水流掺气的原因  17
    1.3.3 掺气减蚀机理  17-18
    1.3.4 掺气减蚀设施的工作原理  18-19
    1.3.5 掺气减蚀设施的类型  19-22
    1.3.6 掺气减蚀的研究现状  22-23
  1.4 本文研究课题来源及主要研究内容  23-24
    1.4.1 课题来源  23
    1.4.2 主要研究内容  23-24
  1.5 本章小结  24-25
第二章试验研究  25-31
  2.1 试验装置  25-26
  2.2 试验条件  26-28
    2.2.1 掺气坎体型的确定  26-27
    2.2.2 挑流段反弧半径的确定  27
    2.2.3 来流水力条件的确定  27-28
  2.3 试验测量方法  28-29
  2.4 试验工况  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章掺气水流特性研究  31-63
  3.1 掺气水流浓度分布的研究  31-53
    3.1.1 掺气浓度的计算  32-35
    3.1.2 掺气水流浓度分布规律  35-51
      3.1.2.1 掺气浓度的沿程分布规律  35-38
      3.1.2.2 掺气浓度的纵向分布规律  38-39
      3.1.2.3 掺气浓度分布与挑坎高度的关系  39-43
      3.1.2.4 掺气浓度分布与挑流段反弧半径的关系  43-47
      3.1.2.5 掺气浓度分布与流量的关系  47-51
    3.1.3 掺气水流流速分布规律  51-53
  3.2 掺气减蚀设施的有效保护长度  53-59
    3.2.1 掺气减蚀设施有效保护长度的研究现状  53-54
    3.2.2 掺气保护长度的模型试验结果分析  54-59
  3.3 掺气水流空腔长度的研究  59-61
  3.4 本章小结  61-63
第四章掺气水流特性数值模拟  63-83
  4.1 数值模拟的基本理论  63-69
    4.1.1 CFD基本控制方程  63-65
    4.1.2 湍流模型  65-68
    4.1.3 水气两相流模型  68-69
  4.2 掺气水流特性数值模拟  69-72
    4.2.1 数值模拟内容  69-70
    4.2.2 计算模型的建立  70
    4.2.3 计算区域的确定  70-71
    4.2.4 边界条件的确定  71
    4.2.5 计算网格的划分  71-72
  4.3 数值模拟结果分析  72-79
    4.3.1 水流流态  72-76
    4.3.2 水流流速分布  76-77
    4.3.3 掺气水流的空腔特性  77-79
  4.4 试验模型结果与数值模拟结果的对比  79-82
    4.4.1 水流流态的对比  79-80
    4.4.2 水舌形状的对比  80-81
    4.4.3 掺气空腔特性的对比  81-82
  4.5 本章小结  82-83
第五章结论与展望  83-85
  5.1 结论  83-84
  5.2 展望  84-85
参考文献  85-89
致谢  89-90
附录  90

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