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数值模拟在泄洪洞掺气减蚀设施体型优化试验中的应用

作　者: 郭臣
导　师: 朱大勇
学　校: 合肥工业大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 空化掺气减蚀数值模拟模型试验体型优化
分类号: TV651.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

人工掺气减蚀设施能有效的降低泄洪洞内的空蚀现象，但掺气设施的体型设计缺乏可靠的设计理论。在设计过程中，常用水工模型试验对设计方案进行验证，进而提出相应的优化方案。通过模型试验进行体型优化有较多的局限性，使用数值模拟辅助模型试验能有效的解决这种问题。本文系统的阐述了泄洪洞高速水流空化与空蚀现象的产生机理，以及人工掺气减蚀设施的原理与研究思路，通过对各项理论的总结，提出体型优化的具体方式。在确定优化方式后，通过对数值方法及相关试验规范的深入研究，制定合理的试验方案，根据实际情况选择欧拉模型作为数值计算模型，并提出相应的数值计算过程。本文的研究实例为典型的高水头泄洪洞，选择该泄洪洞的一号掺气坎作为研究对象。该处的断面流速介于高速水流与低速水流之间，这种水力条件下的掺气设施体型设计难度较大，通常需要多次优化才能得到合理的体型。本研究实例首先通过对原方案先后开展模型试验和数值计算，通过比对各项重要参量，验证数值计算精度。在计算精度得到验证后，采用原方案的水力条件，使用数值模拟进行体型优化，提出满足设计要求的推荐方案。最后，对推荐方案开展模型试验，并在同样的水力条件开展数值计算，再次验证数值计算精度。进行数值计算精度验证时，计算工况分别选择正常蓄水位和校核洪水位，通过分析比对水面线、洞顶余幅、沿程压力、空化数和掺气量，分析计算结果与试验结果的误差，并分析误差产生的可能性；进行体型推导的数值计算时，选择正常蓄水位作为体型推导的计算工况，通过分析空腔形态、掺气量两个因素，判定体型是否合理，如不合理，根据掺气设施的优化设计思路，调整体型设计，直至找出合理的掺气设施体型。本文的研究实例表明：数值计算得到的推荐方案得到了模型试验的验证，数值计算的结果与试验成果较为接近。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-13
第一章绪论  13-21
  1.1 高速水流掺气减蚀的研究背景  13
  1.2 高速水流的空蚀现象与掺气减蚀的主要技术问题  13-20
    1.2.1 空化与空蚀现象的产生机理及衡量标准  13-14
    1.2.2 泄水建筑物易发生空蚀现象的部位  14-15
    1.2.3 高水头泄洪洞的防蚀  15-19
    1.2.4 掺气减蚀设施研究的主要技术问题  19-20
  1.3 本课题的提出及研究内容  20-21
第二章泄洪洞掺气减蚀设施的设计思路和研究办法  21-36
  2.1 泄洪洞掺气减蚀设施的设计思路  21-25
    2.1.1 基本原则  21
    2.1.2 泄洪洞掺气设施的工程形式  21
    2.1.3 泄洪洞掺气减蚀设施的基本体型与组合  21-23
    2.1.4 掺气减蚀设施体型优化设计思路  23-25
  2.2 泄洪洞掺气减蚀设施体型优化的试验研究方法  25-27
    2.2.1 模型设计  25
    2.2.2 模型组成  25-26
    2.2.3 模型安装  26-27
    2.2.4 试验内容及成果  27
  2.3 泄洪洞掺气减蚀设施体型优化的数值模拟方法  27-34
    2.3.1 掺气数值计算涉及的计算流体动力学概述  27-30
    2.3.2 计算模型的选择  30
    2.3.3 使用欧拉法分析掺气减蚀的数理模型理论及计算方法选择  30-34
  2.4 数值模拟与模型试验相结合的新方法  34-36
    2.4.1 泄洪洞掺气减蚀水工模型试验的局限性  34
    2.4.2 泄洪洞掺气减蚀数值模拟的局限性  34
    2.4.3 模型试验与数值模拟结合的研究方法提出  34-36
第三章泄洪洞掺气设施体型优化数模与物模结合实例  36-67
  3.1 工程概况及设计资料  36-38
    3.1.1 工程概况及选择的研究对象  36-37
    3.1.2 水力设计资料  37-38
  3.2 水工模型试验方案  38-39
    3.2.1 模型试验的控制条件  38
    3.2.2 模型设计及试验内容  38-39
  3.3 数值模拟的范围选取及计算模型  39-41
    3.3.1 数值模拟的范围选取  39
    3.3.2 计算模型  39-41
  3.4 数模和物模结合的体型优化过程  41-67
    3.4.1 原方案模型试验和数值模拟成果比对  41-48
    3.4.2 基于数值模拟进行体型优化计算  48-60
    3.4.3 推荐方案模型试验和数值模拟成果比对  60-67
第四章结论与展望  67-69
  4.1 主要结论  67
  4.2 展望  67-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间发表的论文  73-74
附图  74-83

数值模拟在泄洪洞掺气减蚀设施体型优化试验中的应用

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