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“龙抬头”泄洪隧洞大流量泄洪消能数值模拟

作　者: 吴小菊
导　师: 张洪明
学　校: 昆明理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: “龙抬头”泄洪隧洞泄洪消能水气二相流掺气减蚀数值模拟
分类号: TV65
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

将导流隧洞改建为二次使用的永久性隧洞中,龙抬头式泄洪隧洞是目前比较常见、成熟的体型。本文结合某电站工程的龙抬头泄洪隧洞,根据湍流和两相流的基本理论和方法,运用泄洪消能的基本原理,对龙抬头式泄洪隧洞中的水流和掺气后的水流建立几何模型应用层流和湍流模型分别对其进行水—气两相流数值模拟,并加以分析、研究。本文应用层流和湍流与两相流的数值模拟的理论、方法,结合工程实际,主要做了以下工作：一、对“龙抬头”泄洪隧洞的大流量水流进行数值模拟文中结合工程实例,建立几何计算模型,应用层流、湍流、水气二相流基本理论,就龙抬头式泄洪隧洞内的大流量水流的流态、流速和压强等进行分析、比较。二、在“龙抬头”泄洪隧洞的反弧段的两端加入掺气槽,对其掺气水流进行数值模拟根据前一研究对象的计算、分析结论,在负压大、流速高及易发生空蚀破坏的反弧段的两端,加入掺气槽掺入气体并建立计算模型,选择层流和标准k-ε模型,对其进行数值模拟,得到它们的流态、流速及压强等分布情况,进行了分析。最后,与没有加入掺气槽的计算结果进行了比较、分析。完成上述工作,取得了以下成果：一、在导师的指导下,通过查阅规范、书籍,阅读“龙抬头”泄洪隧洞的图纸,请教业内专业人士,在不改变隧洞体型和隧洞洞形的情况下,对整个隧洞(约550m)内的水—气流建立几何模型,并实现了模拟与分析。二、考虑到计算几何模型大、计算工况复杂的客观情况,先使用层流模型使水—气流充满整个隧洞进行分析,再使用湍流模型进行计算,并把层流与湍流计算结果进行了对比分析,层流模型在计算过程中耗费机时较少,但其计算结果较湍流模型相差较大。三、通过对龙抬头式泄洪隧洞的大流量水流的数值模拟,得出隧洞的反弧段始端的洞顶出现最大负压,并且在其末端附近也存在明显的负压、低压区、掺气盲区以及压强梯度剧烈变化区。四、在保证水流流量和其它相关条件不变的前提下,在反弧段始端和末端加入掺气槽,掺入气体后,反弧段始端的最大负压和末端的负压、低压区、掺气盲区等得到缓解。五、考虑到网格粗细对计算结果的影响,本文对每一个模拟对象的网格剖分方案都进行了细致的设计和反复试算,以压强指标判断网格布置及其粗细程度是否能够在满足工程需要,保证了结果的可靠性。掺气减蚀与泄洪消能系多学科交织的问题,内容多,问题复杂。需继续以“理论分析,试验、数值模拟和原型观测”三结合的方法,进行更深入的研究。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章概述  11-27
  1.1 引言  11-12
  1.2 泄洪消能概念  12-17
    1.2.1 泄洪  12-13
    1.2.2 消能  13-14
    1.2.3 泄洪消能方式  14-17
  1.3 泄洪与消能技术发展概述  17-21
    1.3.1 峡谷建坝泄洪消能的新特点  18-19
    1.3.2 隧洞泄洪方式渐为广用  19-20
    1.3.3 导流洞改建泄洪洞技术  20-21
    1.3.4 新型高效内消能工  21
  1.4 “龙抬头”式泄洪隧洞消能问题的研究方法  21-24
    1.4.1 理论分析方法  21-22
    1.4.2 模型试验方法  22
    1.4.3 数值模拟方法  22-24
  1.5 “龙抬头”泄洪隧洞的工程概况  24-25
  1.6 本文的思路与研究主要内容  25-27
第二章湍流数值模拟基础理论与方法  27-35
  2.1 流体流动的基本控制方程  27-28
    2.1.1 连续方程  27-28
    2.1.2 运动方程  28
  2.2 数值计算方法  28-29
  2.3 网格生成技术  29-30
    2.3.1 网格类型  29
    2.3.2 网格质量  29-30
  2.4 商业软件的选取  30-31
  2.5 边界条件的选取  31-33
    2.5.1 进口边界确定  31-32
    2.5.2 出口边界确定  32-33
  2.6 壁面函数的选取  33
  2.7 数值耗散的影晌  33-34
  2.8 收敛判断准则  34
  2.9 本章小结  34-35
第三章两相流数值模拟的基本理论和方法  35-47
  3.1 水工水气两相流  35-37
  3.2 多相流模型  37-40
    3.2.1 VOF模型  37-38
    3.2.2 MIXTURE模型  38-39
    3.2.3 欧拉模型  39-40
  3.3 粘性模型  40-43
    3.3.1 层流模型  40
    3.3.2 标准k-ε模型  40-41
    3.3.3 RNG k-ε模型  41-42
    3.3.4 Realizable k-ε模型  42-43
  3.4 数值算法  43-46
    3.4.1 SIMPLE算法  44-45
    3.4.2 PISO算法  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第四章 “龙抬头”泄洪隧洞大流量水流数值模拟  47-64
  4.1 几何模型的建立  47-49
  4.2 网格的划分  49-50
  4.3 计算模型的选取  50-51
    4.3.1 两相流模型选取  50
    4.3.2 层流和湍流模型选取  50-51
    4.3.3 计算方法的选取  51
  4.4 边界条件与算法  51-52
    4.4.1 空气入口边界  51
    4.4.2 水流入口边界  51
    4.4.3 出流边界  51-52
    4.4.4 算法  52
  4.5 计算结果及分析  52-63
    4.5.1 层流模型计算结果及分析  52-57
    4.5.2 湍流模型计算结果及分析  57-62
    4.5.3 层流与标准k-ε模型计算结果对比分析  62-63
  4.6 本章小结  63-64
第五章 “龙抬头”泄洪隧洞掺气水流数值模拟  64-81
  5.1 几何模型的建立  64-66
  5.2 网格划分  66
  5.3 数学模型和边界条件的选取  66-67
  5.4 计算结果及分析  67-80
    5.4.1 层流模型计算结果及分析  67-73
    5.4.2 湍流模型计算结果及分析  73-79
    5.4.3 层流与标准k-ε模型计算结果对比  79-80
    5.4.4 有无掺气槽计算结果对比  80
  5.5 本章小结  80-81
第六章结论和展望  81-83
  6.1 结论  81-82
  6.2 展望  82-83
参考文献  83-87
致谢  87-88
附录 (攻读硕士学位期间发表论文目录)  88

“龙抬头”泄洪隧洞大流量泄洪消能数值模拟

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