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锥形阀消力池的水力特性研究

作　者: 李翠艳
导　师: 张宗孝
学　校: 西安理工大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 锥形阀消力池体型优化水力特性数值模拟
分类号: TV135
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

我国西部水资源的开发和利用在国民经济中的地位日益显著,而水利工程中的引水隧洞和泄洪洞是水工建筑物的重要组成部分。引水隧洞和泄洪洞常采用管道输水,这样就存在控制管道内的流量和管道出口的消能问题。而传统的挑流消能方式又常常会带来雾化、空蚀破坏、岸坡冲刷等较难克服的问题。在管道出口设置锥形阀既解决了流量控制问题又有很好的消能效果,所以锥形阀的应用成为越来越多的专家学者关注、研究的热点,锥形阀消力池的研究有着重要的学术理论意义和实际应用价值,并能产生一定的经济价值。本文的研究工作是在崆峒水库除险加固工程中输水洞出口锥形阀消力池模型上展开的,对锥形阀消力池内各种工况的水力特性进行研究。采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法,对该种消能工各体型参数发生系列变化时所产生的一些水力特性的变化规律进行研究和探讨,并进行体型优化。试验对锥形阀的高度进行了2种变化；对锥形阀的开度进行了6种变化；对消力池长度进行了5种变化；消力池的深度作了2种变化；同时还在消力池内设置了一些辅助消能设施；通过二维平面模型的数值模拟研究了锥形阀消力池内的流态、流速场的分布、时均压强的分布等。通过一系列的模型对比试验、数值模拟和模型试验的对比研究,取得了一些富有创新和工程实际应用价值的成果,无论是从广度上还是从深度上,本项研究均具有一定的探索性和开创性。(1)在试验过程中,通过对消力池内流态的观察,消力池内的典型流态为射流和水跃流两种水流的混合流态。由于锥形阀为独特的环状出流,水体脱离锥面以后呈圆台侧面扩散,锥形阀顶部射流水体上缘产生一逆时针的环状旋涡带,底部射流下缘产生一顺时针的环状旋涡带。(2)得出了不同水位时泄流量随开度变化的一些基本变化规律,通过试验数据拟合得到不同水位时泄流量与开度的经验计算公式。(3)通过消力池尺寸的对比试验研究,得到锥形阀开度不同消力池的最优体型也有所不同。(4)结合模型试验以及理论推导,建立系统消能率计算的表达关系式,锥形阀系统总消能率在85%-94%之间,这种消能结构的消能效果良好,可以作为实际工程的推广体型。(5)在模型试验的基础上,通过fluent流体计算软件对锥形阀开度0.20m进行了数值模拟。从试验结果和计算结果的对比可以看出,二者的水深、压强和流速方面大部分区域吻合较好,与流场的理论分析相符,结论合理,表明用数值模拟的方法可进行锥形阀消力池流场的模拟。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
1 绪论  11-19
  1.1 本课题的研究背景  11-12
    1.1.1 研究背景  11
    1.1.2 问题的提出  11-12
  1.2 管道内消能工形式综述  12-14
  1.3 锥形阀消能国内外研究及应用进展现状  14-16
    1.3.1 国外研究  14-15
    1.3.2 国内研究  15-16
  1.4 冲击式特种消能工的研究概况  16-17
  1.5 课题的主要目的及内容  17-18
    1.5.1 本课题研究的目的和意义  17
    1.5.2 研究的内容  17
    1.5.3 论文中的新见解  17
    1.5.4 研究方法  17-18
  1.6 本文研究的结构体系  18-19
2 模型设计与量测  19-26
  2.1 工程情况简介  19-20
  2.2 模型试验系统设计、试验工况与量测  20-24
    2.2.1 模型试验系统设计  20-21
    2.2.2 试验模型基本体型参数的设计  21-22
    2.2.3 模型试验量测内容、量测方法及误差分析  22-24
  2.3 本章小结  24-26
3 试验流态变化分析和泄流量变化规律  26-37
  3.1 试验流态变化分析  26-31
    3.1.1 锥形阀出流分析  26
    3.1.2 锥形阀开度变化对消力池内流态影响  26-28
    3.1.3 锥形阀高度变化对消力池内流态的影响  28
    3.1.4 池长变化对流态的影响  28-30
    3.1.5 池深变化对流态的影响  30-31
  3.2 泄流量的变化规律研究  31-35
    3.2.1 引水隧洞管道的水力计算  31-32
    3.2.2 锥形阀开度变化对泄量的影响  32-33
    3.2.3 库水位变化对泄流量的影响  33-34
    3.2.4 流量系数随开度和水头的变化规律  34-35
  3.3 本章小结  35-37
4 消力池壁面时均压强的分布规律  37-52
  4.1 消力池底板时均压强分布的沿程变化  37-41
    4.1.1 消力池底板中线时均压强分布的沿程变化  37-40
    4.1.2 消力池底板离开中线时均压强分布的沿程变化  40-41
  4.2 消力池底板横断面时均压强分布变化规律  41
  4.3 消力池边墙水深方向时均压强分布变化规律  41-43
  4.4 消力坎附近时均压强分布规律  43-44
  4.5 消力池底板压强脉动特性  44-50
    4.5.1 脉动压强的起因及影响因素  44
    4.5.2 脉动压强分析的理论基础  44-47
    4.5.3 脉动强度  47-50
  4.6 本章小结  50-52
5 消力池和消力坎附近流速变化分析  52-58
  5.1 锥形阀消力池和消力坎附近流速随开度分布规律  52-57
  5.2 本章小结  57-58
6 消力池优化试验研究  58-71
  6.1 引言  58
  6.2 试验方案拟定  58-59
  6.3 消力池水面线分布规律  59-66
    6.3.1 不同开度水面线分布规律  59-64
    6.3.2 锥形阀两种高程水面线分布规律  64
    6.3.3 池深变化水面线分布规律  64-65
    6.3.4 辅助消能设施  65-66
  6.4 锥形阀开度变化、消力池尺寸与消能率之间关系的讨论  66-69
    6.4.1 锥形阀开度变化与消能率之间关系的讨论  67-68
    6.4.2 消力池尺寸对系统消能率的影响  68-69
  6.5 关于消力池合理尺寸的探讨  69-70
  6.6 本章小节  70-71
7 锥形阀消力池的数值模拟  71-86
  7.1 基本方程  71-72
    7.1.1 质量守恒方程  71
    7.1.2 动量守恒方程  71-72
  7.2 湍流模型  72-76
    7.2.1 标准的κ-ε模型  73-76
  7.3 控制方程的离散  76-77
    7.3.1 离散化的目的  76
    7.3.2 常用的离散化方法  76
    7.3.3 常用的离散格式  76-77
  7.4 确定边界条件和初始条件  77-78
  7.5 网格的生成  78
  7.6 fluent软件简介  78-79
  7.7 fluent的求解步骤  79
  7.8 计算区域的选定和网格划分  79-80
  7.9 算法和边界条件  80-81
  7.10 锥形阀开度0.20m计算和试验比较  81-84
  7.11 本章小结  84-86
8 结论与展望  86-89
  8.1 结论  86-87
  8.2 展望  87-89
致谢  89-90
参考文献  90-93
附录  93

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