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溢洪道掺气水流的三维数值模拟

覃昕慧  
【摘要】: 随着水利水电工程建设的发展,泄水建筑物的泄流量越来越大,单宽流量进一步增加,与之相关的脉动、空化空蚀等高速水流问题日益突出。向高速水流中掺气,是减免建筑物发生空蚀破坏的主要工程措施。因此,开展溢洪道水力特性,特别是掺气水流特性的研究对泄水建筑物的安全运行具有重要的现实意义。 鉴于数值计算具有易操作、低成本和短周期等优越性,在建筑物的选型和优化设计工作中,数值模拟方法能发挥较大的作用甚至部分代替试验,缩短周期。但是由于涉及掺气的理论还很不成熟,对其进行数值模拟还有许多研究工作需要去做。本文对巴贡水利工程中长溢洪道整体三维流场进行了数值模拟计算,以期深入了解其水力特性,为溢洪道的合理设计提供依据。采用多相流模型,对掺气坎处的掺气水流进行了模拟,通过对不同气泡特征直径,不同相间作用力模型计算结果的对比分析,探索改善掺气水流预测水平的途径,。 本文选用标准κ-ε紊流模型,有限体积法离散控制方程,VOF方法模拟自由表面,对不规则边界采用非结构网格进行处理。通过对该工程溢洪道紊动流场进行的三维数值模拟,得到了泄流量,速度场、压力场、水面线等的分布规律。数值模拟和试验结果的对比分析,两者吻合较好,表明模拟结果能满足工程需要。 对于掺气坎附近水流及掺气的模拟,本文采用双流体理论的欧拉模型,考虑水气间的相互作用,并以某个特征直径气泡代替气相对其进行模拟。计算结果表明,采用欧拉模型能较好的模拟出通气孔处的风速和通气量,不同的特征直径气泡对通气量的影响较为明显,但总体上来说,模拟值较实测值偏大。跌坎下游的掺气浓度无论实验数据和模拟结果,均显示水体中心部位掺气浓度沿程衰减,但模拟值的衰减率明显小于实测值,空腔负压较实测值偏大,导致模拟得到的掺气空腔不完整。在考虑充分通气的情况下,对比两种不同相间作用力模型对下游掺气浓度的影响,采用对称模型时特征气泡直径对水面气泡上浮影响较大,但掺气沿程衰减不明显的现象依然没有得到很好的改善。 由于紊动、水气两相流以及自由面问题的复杂性,两相流机理还处在发展阶段,并且由于气泡大小分布和变化规律尚不明确,在掺气模拟方面依然还有很多问题有待进一步探索。


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