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自动滚筒闸门水力学特性的试验研究与数值模拟

李利荣  
【摘要】: 我国北方是水资源严重短缺的地区,但对于现有的水资源,有些却不能得到合理利用,如洪水资源中的多泥沙和高含沙洪水在利用过程中存在着一系列难题。对闸前有泥沙淤积时能自动启闭的新型水力自动滚筒闸门的研究,使得利用这部分洪水资源成为可能。通过水工模型试验,证明新型水力自动滚筒闸门的设想是可行的,可以保证在闸前有泥沙淤积时,闸门在水压力作用下开启自如。为了正确进行闸门设计,必须对作用在闸门体上的水压力进行准确地计算。闸门开启前闸体上的静水压力计算,毋庸置言容易解决。但闸门开启后作用在闸体上的动水压力的计算,目前尚无现成公式可利用。本文采用模型试验、数值模拟与理论分析相结合的方法,对水流中横置圆筒闸体上的动水压力分布规律进行研究。主要研究内容如下: (1)通过水工模型试验,研究了在上游水位变化和不同筒下开度工况下,圆筒表面动水压力时均值、脉动值的变化规律。 (2)以物理模型为依据进行数学建模,采用数值模拟方法对水流中横置圆筒的水力学特性进行了深入研究。通过各模型的对比分析,本文最终采用RNG k-ε湍流模型和水气两相流VOF模型,对横置圆筒绕流流场进行了数值模拟。 (3)采用数值模拟对现有条件物理模型无法完成的工况进行数值模拟,研究了筒下开度(h)、筒顶水深(h1)、上游水深(H)、筒径(R)对绕流流场速度、流线、压力变化及其圆筒表面速度和动水压力变化的影响。 物理模型试验所得主要结论: (1)沿迎水面从圆筒顶部至底部动水压力呈先增大后减小趋势,筒上、下均过水时,在圆筒中心线以下,即φ=135°附近水压力值达到最大,圆筒顶部(φ=0°)及底部(φ=180°)动水压力值较小,且底部动水压力值略小于顶部值。 (2)筒下开度h一定,圆筒迎水面动水压力随闸上游水深H的升高而增大。当闸上游水深H一定,筒下开度h变化时,圆筒迎水面动水压力在圆筒顶部至中心线范围内(0φ90°)没有明显的变化,而在圆筒中心线以下(90°φ180°)动水压力沿圆筒表面自上而下随h的增加而减小,该变化趋势在φ=135°附近表现较明显。 (3)迎水面各点压力脉动主频为f=50Hz左右,圆筒顶部(φ=0°)的脉动幅值最大, (φ=45°)处脉动幅值最小,在90°φ180°范围内,沿圆筒表面向下主频幅值逐渐增大。 数值模拟所得主要结论: (1)圆筒迎水面中心线(φ=90°)附近,流速较小,圆筒上、下方流速较大,中心线以上各点流速随着筒顶水深(h1)的增加而增大,中心线以下各点流速变化较小。圆筒背水面中心线以上各点流速随着h1的增加逐渐增大,而中心线以下区域流速变化梯度较大,并且速度变化较复杂;圆筒背水面流速大于迎水面流速。 (2)圆筒迎水面动水压力随上游水深H的升高由筒顶向下逐渐增大,φ=135°附近达到最大,继而迅速减小,在圆筒底部降到最小,并形成负压区。圆筒背水面,中心线偏上部分压力值较小,沿圆筒壁面向筒底方向呈先增大后减小趋势,且变化梯度由小到大。 (3)筒下开度h、筒顶水深h1一定,迎水面各点压力与R成正比,在圆筒背水面220°φ260°区域,圆筒表面动水压力与筒径R成反比。 (4)通过对水工模型试验和数值模拟结果的分析,建立了水流中横置圆筒表面动水压力的计算公式,并利用该公式进行了验证性计算,通过回归模型的计算值和模拟值的相关分析,表明该计算模型计算结果较为准确。


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