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弧形闸门突扩突跌段侧墙空化特性的大涡数值模拟研究

作　者: 李永刚
导　师: 李国栋
学　校: 西安理工大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 突扩突跌 大涡数值模拟 亚格子模型 脉动压力 间歇空化
分类号: TV663.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着泄水建筑物中的水流速度不断提高,侧墙的空化空蚀问题日益凸现,成为高速水流泄水工程中亟待解决的关键性问题。虽然对侧墙空化空蚀问题的研究已经取得了一定的成果,但对其认识还很不充分。本文在回顾总结前人研究的基础上,通过计算流体动力学软件—Fluent,采用较为精细的大涡模拟的方法和VOF自由液面追踪技术,结合九甸峡水利枢纽工程常压模型实验结果,对弧形闸门突扩突跌段进行数值模拟研究,主要研究内容及成果如下：(1)从紊流脉动压力的控制方程出发,结合弧形闸门突扩突跌段的基本水力学特性,指出“紊动—剪切”是侧墙的强脉动源。由于侧墙存在反射低压区,脉动会导致间歇空化的发生,指明了本研究的方向。对大涡模拟的理论进行了较为详细的阐述,并以经典的后台阶流动,率定了Smagorinsky亚格子模型常数。(2)将大涡模型和处理气液两相流的VOF模型结合,采用结构化网格,对弧形闸门突扩突跌段的水力特性进行了数值模拟,得到了流态、流速、压力、底侧空腔等水力学特性。通过与水工模型实验结果的对比,表明大涡数值模拟方法能够较精确的模拟出弧形闸门突扩突跌段的水流流场,验证了模型的可靠性。(3)弧形闸门突扩突跌段侧墙部位存在比较集中的时均低压区,并且低压区的位置随水深无明显变化；低压区的相对压力脉动强度高达0.33。由于紊流相干漩涡关联运动的影响,测点沿水流方向脉动压力的相关系数并不与距离成线性关系,总体趋势随距离的增大而减小；从对频谱的分析可以看出,测点处脉动压力脉动属于低频脉动。(4)研究表明,弧形闸门突扩突跌段侧墙处的时均空化数并不低,但是由于脉动的影响,某些测点计算得到很大的间歇空化系数,这些测点处极有可能出现明显的由脉动压力引起的瞬态空化水流,从而成为弧形闸门突扩突跌段侧墙的空化源,导致侧墙造成空蚀破坏。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 研究背景和意义  10-20
  1.1 问题的提出  10-11
  1.2 突扩突跌体型侧墙的压力脉动及泄水建筑物的空化空蚀  11-16
    1.2.1 突扩突跌体型侧墙水力特性  11
    1.2.2 突扩突跌体型侧墙的压力脉动  11-13
    1.2.3 泄水建筑物的空化空蚀  13-16
  1.3 数值模拟技术研究意义及工程应用  16-18
  1.4 论文的主要内容  18-20
2 数学模型及自由表面模拟方法  20-32
  2.1 湍流的基本方程与数值模拟方法  20-22
    2.1.1 直接数值模拟  21
    2.1.2 雷诺时均方法  21
    2.1.3 大涡模拟理论  21-22
  2.2 自由表面的模拟方法  22-24
    2.2.1 标高函数法  23
    2.2.2 网格标记法  23
    2.2.3 体积分数法  23-24
    2.2.4 水平集合法  24
  2.3 数值求解方法  24-31
    2.3.1 控制方程的离散  25-27
    2.3.2 压力修正法  27-29
    2.3.3 代数方程的求解  29
    2.3.4 近壁处理  29-31
  2.4 本章小结  31-32
3 大涡数值数值模拟的理论与方法  32-40
  3.1 信号滤波  32-33
    3.1.1 Box方法  32-33
    3.1.2 富氏截断滤波器  33
    3.1.3 Gauss型滤波器  33
  3.2 大涡模拟控制方程  33-34
  3.3 亚格子模型  34-36
    3.3.1 亚格子涡粘和涡扩散模型  35
    3.3.2 Smagorinsky模式  35-36
  3.4 Smagorinsky模式参数的确定  36-39
    3.4.1 初边界条件和网格划分  36-37
    3.4.2 控制参数  37
    3.4.3 回流长度统计特性  37-39
  3.5 本章小结  39-40
4 弧形闸门突扩突跌段流场特性分析  40-51
  4.1 泄洪洞突扩突跌出口段水力特性试验研究  40-43
    4.1.1 突扩跌坎基本水力学特性  40-42
    4.1.2 试验方案  42-43
  4.2 大涡模拟与模型实验结果的比较分析  43-50
    4.2.1 网格的划分和边界条件的设定  44-45
    4.2.2 大涡模拟与模型实验结果的比较分析  45-50
  4.3 本章小结  50-51
5 弧形闸门突扩突跌段侧墙空化特性分析  51-67
  5.1 测点的布置  51-52
  5.2 侧墙脉动压力统计分析  52-56
    5.2.1 测点瞬时压力序列  52-53
    5.2.2 测点脉动压力统计分析  53-56
  5.3 相关性分析  56-57
  5.4 正态性研究  57-61
  5.5 压力脉动的频谱特性分析  61-64
  5.6 空化特性分析  64-66
    5.6.1 测点空化数  64-65
    5.6.2 测点间歇空化系数  65-66
  5.7 本章小结  66-67
6 结论与展望  67-69
  6.1 研究总结  67
  6.2 建议进一步研究的问题  67-69
致谢  69-70
参考文献  70-74
附录  74

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水利枢纽、水工建筑物 > 水闸 > 闸门 > 弧形闸门
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