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弯道急流改善措施数值模拟研究

作　者: 梁艳洁
导　师: 杨玲霞
学　校: 郑州大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 弯道水流横向反超高弯道水面横比降 VOF方法
分类号: TV133
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 25次
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内容摘要

弯道水流在天然河流中很常见,是自然界中一种常见的水流现象,实际工程中也常需要设置弯道。水流从直段进入弯道,水面形态由平稳变得紊乱,出现菱形冲击波;水流结构发生变化,凹岸水面升高,凸岸水面降低,形成水面横比降;离心力和重力作用使弯道水流形成横向环流运动;水流结构的调整还会引起流速沿纵向、河宽和水深三方向的重分布。水面形态变化是弯道水流调整的基础,横向环流是弯道凹岸冲刷和凸岸淤积的根本原因,流速重分布是弯道水流最重要和显著的特性。因此,改善弯道水流结构是解决弯道冲刷淤积的关键所在。国内外学者在改善弯道水流措施方面做了大量有益的尝试,有采取合理的弯道曲线形式的,有采用双曲底板或扇形抬高法的,还有辅助措施如导流坎、导流墙、分流墩等。这些措施对于降低水面横比降,改善水流流态起到了很好的作用。采用RNGk-ε模型,用有限体积法离散控制方程,用VOF方法模拟自由水面。在此基础上针对“横向反超高弯道”的流态模拟问题进行了研究,采用数值模拟的方法建立计算模型,分别在三种不同流量工况下,对正常的横向水平弯道和横向反超高弯道进行了数值模拟,并与试验结果进行比较。一方面验证了数值模拟的方法切实可行和正确可靠,另一方面也说明了“横向反超高弯道”对减小水面横比降方面具有一定效果。按明渠最大佛汝德数对应流量和水深设计反超高弯道超高尺寸效果更好。本文在模拟“横向反超高弯道”水流和探讨特殊弯道水流流态特征方面做了尝试,为研究天然河道中复杂弯道水流的演变、设计改善措施等方面奠定了基础,具有基础研究和学术研究意义。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-20
  1.1 弯道水流改善措施问题的提出及其研究意义  9-10
  1.2 弯道水流改善措施的研究现状  10-13
    1.2.1 关于弯道水流特性方面的研究  10-13
    1.2.2 改善措施试验研究现状  13
  1.3 弯道水流数值模拟的发展现状  13-19
    1.3.1 计算水力学的发展现状  13-14
    1.3.2 数值模拟的发展现状  14-15
    1.3.3 弯道水流模拟研究现状  15-19
  1.4 本文的研究内容和研究方法  19-20
第二章 “横向反超高弯道”研究简介  20-25
  2.1 横向反超高弯道简介  20-23
    2.1.1 “横向反超高弯道”底部横向坡度计算  20-22
    2.1.2 “横向反超高弯道”进口渐变段的计算  22
    2.1.3 “横向反超高弯道”出口渐变段的计算  22-23
  2.2 横向反超高弯道的试验简介  23-25
第三章弯道水流的数值模拟方法  25-37
  3.1 流体动力学控制方程  25-28
    3.1.1 质量守恒方程  25
    3.1.2 动量守恒方程  25-27
    3.1.3 紊流的时均方程  27-28
  3.2 紊流模型  28-31
    3.2.1 零方程模型及一方程模型  28-29
    3.2.2 标准k-ε紊流模型  29-30
    3.2.3 RNG k-ε模型  30-31
  3.3 方程的离散  31-34
  3.4 自由表面的确定方法简介  34-35
  3.5 网格划分和边界处理方法  35-37
第四章 90°弯道三维流场的数值模拟  37-49
  4.1 网格划分  37-39
  4.2 边界条件和初始条件设定  39-41
    4.2.1 壁面函数法  39-40
    4.2.2 速度进口和压力进口  40
    4.2.3 压力出口  40-41
  4.3 离散方程的解法  41-47
  4.4 本文采用的自由水面模拟方法  47-49
第五章弯道水流数值模拟结果分析  49-66
  5.1 横向水平弯道的数值模拟与试验结果对比分析  49-56
    5.1.1 三种流量工况下各观测断面的水面线计算与试验对比  49-52
    5.1.2 横向水平弯道环流现象分析  52-53
    5.1.3 底层速度场分析  53-55
    5.1.4 断面垂线流速分布  55-56
  5.2 横向反超高弯道的数值模拟与横向水平弯道模拟比较  56-58
    5.2.1 横向反超高弯道与横向水平弯道的断面水面线比较  56-57
    5.2.2 两弯道的环流现象比较  57-58
  5.3 工况1各种弯道方案模拟计算结果比较  58-61
    5.3.1 水面线比较  58-60
    5.3.2 横向环流  60-61
  5.4 工况2各种弯道方案模拟计算结果比较  61-63
    5.4.1 水面线  61-62
    5.4.2 横向环流  62-63
  5.5 工况3三种方案计算结果比较  63-66
    5.5.1 水面线  63-64
    5.5.2 横向环流  64-66
第六章结论和展望  66-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
附录  72

弯道急流改善措施数值模拟研究

内容摘要

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