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《天津大学》 2016年
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水力因素对明渠糙率影响的三维数值模拟研究

纪诗闻  
【摘要】:n被称为曼宁粗糙系数,它是一个能够反映壁面粗糙程度,渠槽形状及水力条件等多种因素影响的综合水力摩阻系数。在明渠水力计算中,糙率系数是一个十分重要且敏感的参数,全面认识其特性及变化规律对于合理确定糙率值具有重大意义。以往对糙率的研究多采用物理模型试验或原型观测的方法,由于耗费大、数据范围难以控制,因此对糙率系数的研究还不充分。鉴于此,本文在分析总结国内外学者对明渠糙率已有研究成果的基础上,采用数值模拟的方法,利用FLUENT中提供的三维标准湍流k-ε模型,研究了弗劳德数、渠底坡度、宽深比等水力要素对明渠均匀流糙率系数的影响,以及非均匀流糙率系数随相对水深的变化规律,主要研究结果如下:(1)在同一粗糙床面及流量下,糙率系数随着弗劳德数的变化规律与流态相关。缓流时,糙率系数随弗劳德数的增加速率较快;急流时,糙率系数随弗劳德数的增加速率较慢。与此同时,在相同流量下,当弗劳德数较小时,糙率系数主要随弗劳德数发生变化,而床面粗糙高度的影响很小;当弗劳德数较大时,糙率系数值主要随床面粗糙高度发生变化,弗劳德数的影响较小。对于不同的粗糙床面明渠均匀流,糙率系数与Fr/(?)都具有一致的相关性,且糙率随着Fr/(?)的增加而呈对数函数下降。对于某一固定渠道,糙率系数随宽深比呈对数函数增加。通过拟合得到了明渠均匀流糙率系数的计算公式。(2)明渠非均匀流的相对底壁切应力与相对水深之间呈幂函数关系,且这种相关性不受床面光滑与粗糙程度的影响。明渠非均匀流相对糙率系数与相对水深呈幂函数相关,在雍水情况下糙率系数会随着沿程断面水深的增加而增大,在降水情况下糙率系数会随着沿程断面水深的减小而减小。通过拟合得到了明渠非均匀流糙率系数的计算公式。研究结果表明,标准湍流k-ε模型可以很好的模拟出明渠糙率随水力要素的变化规律。研究成果可应用于明渠水力计算中,对工程实践和应用有一定的指导价值。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TV133

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