發(fā)布時(shí)間：2020-10-31 08:07

　　 溢洪道作為水利工程中的重要建筑物,承擔(dān)著疏浚泄洪、維護(hù)工程安全與穩(wěn)定的作用,其型式及布設(shè)方式直接影響著工程安全。溢洪道常布置于岸邊或埡口,擇取有利地形,并需考慮地形結(jié)構(gòu)、巖體特性及水文地質(zhì)因素給泄洪帶來的不利影響�，F(xiàn)行水利工程中,以具備泄洪任務(wù)重、來流水位高、河床范圍窄等特質(zhì)者居多,安全平穩(wěn)泄流便成為設(shè)計(jì)此類工程的著重研討課題。受地勢地質(zhì)等環(huán)境要素的制約,其進(jìn)口所處地貌通常較為復(fù)雜。在宣泄洪水時(shí),絕大多數(shù)工程的水流流向均垂直于引渠段進(jìn)口�？紤]到工程特點(diǎn)、地質(zhì)特征、施工環(huán)境及經(jīng)濟(jì)等因素,部分工程布設(shè)溢洪道進(jìn)口段時(shí)地勢條件不理想、地形曲折,進(jìn)口段型式為非對(duì)稱,從而致使來流偏轉(zhuǎn)、水體流動(dòng)形式復(fù)雜。非對(duì)稱進(jìn)口來流會(huì)導(dǎo)致泄洪時(shí)溢洪道進(jìn)口段流態(tài)紊亂,有復(fù)雜漩渦生成,溢洪道兩側(cè)壁水深不等的現(xiàn)象,進(jìn)而致使溢洪道泄流能力不穩(wěn)。因此,應(yīng)充分認(rèn)識(shí)溢洪道進(jìn)口段復(fù)雜地質(zhì)形式,綜合考慮地形地質(zhì)、開挖方量等特點(diǎn),對(duì)溢洪道進(jìn)口段進(jìn)行合理優(yōu)化,以保證建筑物穩(wěn)定安全運(yùn)行。以往針對(duì)溢洪道的研討,大多僅局限于來流條件良好的情況,而溢洪道進(jìn)口地勢條件不利狀況的研究較少。針對(duì)溢洪道進(jìn)口的模擬,由于涉及水氣兩相流及流體與建筑物、流體之間相撞擊等問題,其數(shù)值選型及精確模擬是計(jì)算流體力學(xué)的一大難點(diǎn)。本文以某水利工程為研究背景,針對(duì)非對(duì)稱來流下的溢洪道進(jìn)口段,進(jìn)行多種布置方案的數(shù)值模擬研究。關(guān)鍵研究方法及所得成果如下:(1)為改善其非對(duì)稱進(jìn)口給來流造成的不利影響,利用CLSVOF法建立自由表面兩相流模型,RNG k~ε紊流模型模擬進(jìn)口湍流。選取有限體積法以離散控制方程,采用瞬態(tài)PISO算法將壓力與速度場進(jìn)行耦合,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理計(jì)算域復(fù)雜邊界,針對(duì)溢洪道多種運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究。分析進(jìn)口段流速及下游水位分布,經(jīng)優(yōu)化和分析對(duì)比,提出在進(jìn)口段設(shè)置兩段20m長、13.6 m高的平行導(dǎo)流墻作為推薦優(yōu)化方案。(2)模型試驗(yàn)用以判定數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,依據(jù)重力相似準(zhǔn)則制成試驗(yàn)?zāi)Ｐ?其比尺為1:40,針對(duì)溢洪道校核工況進(jìn)行模型試驗(yàn)探究。試驗(yàn)觀測各運(yùn)行工況下溢洪道整體及細(xì)部流態(tài),測得沿程水位、特征斷面流速與堰面壓強(qiáng)系列水力要素分布,將空化現(xiàn)狀、沖刷形態(tài)的因素考慮其中。結(jié)果表明,所選優(yōu)化型式有效消除了進(jìn)口漩渦,因非對(duì)稱來流造成的流態(tài)紊亂、局部水面壅高及在邊墻形成水翅等不利現(xiàn)象得到改善,溢洪道整體水力特性符合工程要求。(3)綜合考量不同數(shù)值模型對(duì)運(yùn)算結(jié)果的影響,Standard k~ε模型、RNG k~ε模型、Realizable k~ε模型分別結(jié)合CLSVOF方法對(duì)校核工況下優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算分析。通過試驗(yàn)實(shí)測值對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證,引入變異系數(shù)計(jì)算其與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的擬合程度。比選出最能真實(shí)模擬實(shí)際工程流動(dòng)狀態(tài)的計(jì)算模式,總結(jié)出RNG k~ε為最適宜描述此工程實(shí)際運(yùn)行情況的紊流模型。(4)應(yīng)用數(shù)值模型對(duì)溢洪道進(jìn)口段進(jìn)行多種導(dǎo)流墻優(yōu)化型式的探究,對(duì)比不同型式的進(jìn)口導(dǎo)流墻對(duì)引渠段惡劣漩渦、溢洪道局部水位壅高等系列問題的改善效果。綜合分析工程選址處地勢特征、優(yōu)化方案的調(diào)整范圍,總結(jié)得出15~20m長為本工程溢洪道進(jìn)口導(dǎo)流墻的最佳優(yōu)化范圍。本文研究了進(jìn)口地勢不利條件下溢洪道的水力特性,為深入分析引渠段復(fù)雜流場提供了技術(shù)保障。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TV651.1;TV135
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 選題背景及意義
    1.2 溢洪道工程特點(diǎn)
    1.3 國內(nèi)外相關(guān)研究綜述
        1.3.1 溢洪道研究現(xiàn)狀
        1.3.2 溢洪道進(jìn)口水力特性研究
        1.3.3 流體對(duì)水工建筑物作用力研究
        1.3.4 溢洪道導(dǎo)流墻研究現(xiàn)狀
    1.4 本文研究內(nèi)容及方法
    1.5 本章小結(jié)
2 紊流數(shù)值模擬理論探討
    2.1 基本控制方程
    2.2 紊流數(shù)值計(jì)算
        2.2.1 Standard k-ε模型-9 -
        2.2.2 RNG k-ε模型
        2.2.3 Realizable k-ε模型
    2.3 數(shù)值離散方法
    2.4 流場數(shù)值計(jì)算
        2.4.1 SIMPLE算法
        2.4.2 SIMPLEC算法
        2.4.3 PISO算法
    2.5 自由表面追蹤
        2.5.1 VOF水氣兩相流模型
        2.5.2 Level-Set方法
        2.5.3 CLSVOF方法
    2.6 本章小結(jié)
3 某工程溢洪道進(jìn)口數(shù)值模擬研究
    3.1 工程概況
        3.1.1 模型比尺及范圍
        3.1.2 試驗(yàn)量測設(shè)備
        3.1.3 模型試驗(yàn)主要內(nèi)容
    3.2 三維數(shù)學(xué)模型建立
        3.2.1 復(fù)雜計(jì)算區(qū)域處理
        3.2.2 邊界條件設(shè)定
        3.2.3 進(jìn)口導(dǎo)流墻優(yōu)化方案
    3.3 數(shù)值模擬前期準(zhǔn)備工作
        3.3.1 計(jì)算方法初步選型
        3.3.2 計(jì)算區(qū)域初始化
        3.3.3 計(jì)算穩(wěn)定性與收斂性
    3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
        3.4.1 進(jìn)口流態(tài)
        3.4.2 沿程水位
        3.4.3 堰面壓強(qiáng)
        3.4.4 特征斷面流速
        3.4.5 空化數(shù)分布
        3.4.6 沖坑形態(tài)
    3.5 本章小結(jié)
4 數(shù)值計(jì)算模型比選
    4.1 水面線對(duì)比分析
    4.2 動(dòng)水壓強(qiáng)對(duì)比分析
    4.3 斷面流速對(duì)比分析
    4.4 本章小結(jié)
5 溢洪道進(jìn)口優(yōu)化方式探究
    5.1 進(jìn)口流態(tài)
    5.2 沿程水位
    5.3 堰面壓強(qiáng)
    5.4 特征斷面流速
    5.5 本章小結(jié)
6 總結(jié)與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果
致謝

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