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泄洪洞高速水流三维数值模拟

张晓东  
【摘要】:目前在高山峡谷所建高坝,其泄水建筑物多具有水头高、落差大、泄洪量大等特点,高速水流问题严重。针对泄洪洞高速水流的几个关键问题,本文应用数值模拟技术,紧密结合工程实践,进行了如下工作: 1.导流洞改建泄洪洞的关键技术之一——竖井旋流式泄洪洞的水力学问题是本文研究的第一项内容。针对其体型复杂,水面变化剧烈的特点,本文运用自由表面跟踪技术VOF方法进行了三维数值模拟,得到了螺旋水流的流态、流速、压强、通气量、消能率等各项水力参数,很好的模拟和再现了模型试验成果。并在此基础上: 1.提出以喉管处空腔与竖井横断面的面积比A_a/A作为判别竖井泄流是否安全顺畅的参数; 2.详细分析了竖井中水流与空气运动的切向、径向和轴向速度,指出竖井中的螺旋水流是一种准自由涡运动,空腔中的空气受其带动而做的旋转为强迫涡运动; 3.计算分析了竖井压强的分布和特性,受螺旋流作用,不同泄量下,大部分竖井边壁上有较大的剩余压力,某些局部压力较小;内空腔则有一定的负压存在;压强梯度的变化与切向速度的变化以及涡的分布一致; 4.给出了表征水流旋转强度的两个重要参数旋度和螺旋度在竖井典型断面的径向及轴向变化规律; 中国水利水电科学研究院博士学位论文 5.验证了竖井旋流式泄洪洞的高消能率,进一步证明了其作为新型消能工 的巨大优势; 6.分析了推荐竖井体型在不同流量下井身边壁上最小压力与最小空化数 的轴向分布,提出了减免空化空蚀的具体措施。 ”.龙抬头式泄洪洞反弧末端易发生空化空蚀破坏的问题,是本文研究的另一个 重点: 文中结合工程实例,应用水气两相流理论,就反弧段附近的流速分布、 压强特性和掺气浓度分布进行了模拟,结果表明反弧末端附近的边墙和 底板上存在明显的负压、低压区和掺气盲区以及压强梯度剧烈变化区, 而相应的流速却在40耐s左右,因此容易导致空化空蚀的发生: 2.所研究工程的竣工体型由于受施工因素影响,通气孔上缘高出挑坎形成 「1槽效应,恶化了通气孔附近的流态和压力场,增大了空化空蚀发生的 可能性。 川.对水气两相流数值模拟的探讨是论文最后部分的内容。要实现对高速水流的 合理模拟,水流的掺气问题必须予以考虑。结合挑坎水流模型试验,文中就 水气两相流模型的选取以及影响模拟的几个重要因素,如气泡粒径、计算空 间与壁函数的选取、单颗粒与群颗粒模拟等作了较为细致的验证、对比和分 析,并通过自定义相间曳力系数调整和改善掺气浓度分布。数值模拟的结果 与模型试验数据吻合较好。 紊流模型的合理选取是数值模拟的一项关键工作,为此本文对上述每一个问 题都选用不同的模型做了大量的验证和对比分析工作,确保了结果的合理性与精 度。 关键词:高速水流,竖井旋流式泄洪洞,龙抬头式泄洪洞,数值模拟,水气两相 流


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