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水电站引水渠道弯道式排冰数值模拟与优化

作　者: 安娟
导　师: 王晓玲
学　校: 天津大学
专　业: 环境工程
关键词: 输排冰布置固液Euler两相流流场分布浮冰分布引水渠道
分类号: TV133
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在我国新疆等高寒地区,冬季严寒且漫长,引水渠道冰情严重,冰害问题是关系到引水式水电站能否正常运行及生态安全的关键问题。由于试验研究较费时费力,而且无法提供流场的详细信息。因此,有必要对引水渠道内的水流流态和浮冰浓度分布进行研究,从而比较精确的确定引水渠道输排冰布置的设计尺寸和排冰效果,以期为引水渠道输排冰布置的设计和运行管理提供参考依据。在国内外已有的研究基础上,本文建立了三维Euler两相流模型。模型中将浮冰作为拟流体,采用改进的高雷诺数k -ε湍流模型,并在固相的湍流模拟中引入响应函数。该模型充分考虑了固液两相间相互作用的影响,即计入了相间曳力、横向升力、虚拟质量力和分散相体积分数以及分散相与连续相间密度差的影响。采用有限体积法中的PISO算法对引水渠道内水流输运浮冰的三维流动过程进行了计算,并通过与Blanckaert的实验结果进行比较,验证了数值模拟求解的正确性。模拟结果表明:(1)由于弯道横向环流的作用使得引水弯道内的表层水流流向凹岸,同时输运浮冰向凹岸聚集。在弯道设置取水口后,利用弯道水流的特性,获取表层含冰量较大的水流,使其进入取水口后的排冰闸,从而顺利实现输排冰。(2)当弯道排冰闸轴线与引水渠道中心线平行布置时,排冰闸轴线与引水渠道中心线平行间距a=0.25B(B为引水渠道水面宽度,B=21.6m)为合理的平行间距,此时模拟得到的冰水比K=0.237。(3)非平行布置时的排冰效果要优于平行布置,排冰闸轴线与弯道切线夹角α=10°为非平行布置的最佳排冰方向,此时排冰量Qi可达到5.32 m 3 /s ,冰水比K为0.292。(4)通过对不同排冰闸布置形式的对比及结构的改造,得到了最优的排冰方案,排冰闸采用该方案布置后基本不需要设置导冰筏,并节省了工程造价,且能够顺利地实现输排冰,从而保证了引水式水电站冬季的安全运行及生态环境的保护。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 研究背景及意义  8-9
  1.2 计算流体力学（CFD）的简介  9-10
  1.3 国内外研究现状  10-14
    1.3.1 弯道数值模拟的国内外研究进展  10-13
    1.3.2 冰期输水数值模拟的国内外研究进展  13-14
  1.4 主要的研究内容  14-16
第二章引水弯道输排冰的数学模型  16-25
  2.1 湍流数值模拟方法  16-19
    2.1.1 直接数值模拟（DNS）  16-17
    2.1.2 雷诺平均模拟（RANS）  17
    2.1.3 大涡数值模拟（LES）  17-19
  2.2 引水弯道内固液两相流模型  19-23
    2.2.1 控制方程  20-23
    2.2.2 紊流模型  23
  2.3 边界条件  23-24
  2.4 小结  24-25
第三章数值求解方法  25-36
  3.1 控制方程的离散  25-32
    3.1.1 瞬变项的离散  27
    3.1.2 源项的离散  27
    3.1.3 总通量的离散  27-28
    3.1.4 时间差分格式  28-29
    3.1.5 对流通量的计算  29-31
    3.1.6 最终的有限容积方程  31-32
  3.2 模型求解算法  32-34
  3.3 引水弯道计算区域网格的划分  34-35
  3.4 小结  35-36
第四章引水弯道内流场及浮冰分布的CFD模拟  36-70
  4.1 模型验证  36-38
    4.1.1 模型建立  36-37
    4.1.2 验证分析  37-38
  4.2 模型应用  38-41
    4.2.1 工程概述  38-39
    4.2.2 应用模型的建立  39-41
  4.3 弯道水流流速模拟结果与分析  41-48
    4.3.1 弯道水流的纵向流速u_l 分布  42-45
    4.3.2 弯道水流的横向流速w_l 分布  45-48
  4.4 弯道内浮冰模拟结果与分析  48-51
  4.5 基于CFD的引水弯道布置型式的优化设计分析  51-69
    4.5.1 排冰闸轴线与引水渠道中心线平行布置  52-64
    4.5.2 排冰闸轴线与引水渠道中心线非平行布置  64-69
  4.6 小结  69-70
第五章结论及展望  70-72
  5.1 结论  70-71
  5.2 展望  71-72
参考文献  72-78
发表论文和参加科研情况说明  78-79
致谢  79

水电站引水渠道弯道式排冰数值模拟与优化

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