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水平旋流内消能泄洪洞水力特性的数值模拟

付波  
【摘要】: 目前,高坝的泄水建筑物具有水头高、流量大等特点,其泄洪消能方式多采用内消能工,水平旋流内消能工作为其中的一种,以前多采用模型试验对其研究,数值模拟研究一直未见报导。 本文通过分析模型试验成果,理解并基本掌握了各水力特性的物理概念之后,应用数值模拟技术,采用大型通用流体计算软件,探讨了水平旋流内消能工的网格划分方法、紊流模型选取、边界条件的合理设置和数值耗散的影响,研究了其可行性。 采用Realizableκ-ε紊流模型和自由表面追踪技术VOF法实现了数值模拟,得到了旋转水流的各项水力参数,模拟和再现了模型试验成果。并在此基础之上: (1)以试验所测的壁面压力为依据,验证了数值模拟的效果,探讨了水平洞内的压强分布规律,水平洞内压强梯度沿程逐渐减小; (2)计算分析了水平旋流洞中水流运动的轴向、切向和径向速度,得出了水流流动为准自由涡运动的分布规律,计算得到了旋流夹角的沿程变化规律; (3)计算分析了紊动能和耗散率的沿程变化规律,验证了水平旋流的高消能率,进一步证明其作为新型消能工的优势。 (4)使用不同紊流模型进行计算,结合试验研究,详细比较了各种紊流模型的壁面压力,旋流夹角和消能率的差别,得出了Realizableκ-ε紊流模型更适合模拟该消能工的结论。


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