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排水管道中混合流动的研究与数值模拟

作 者: 肖汉
导 师: 茅泽育
学 校: 清华大学
专 业: 水利工程
关键词: 排水管道 明满流 激波拟合法 过渡界面 拘留气泡
分类号: TU992.01
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 52次
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内容摘要


在降雨超过了设计流量或者管道内出现了故障的时候,在城市排水管道里会形成明满流的现象。随着城市化的发展,所造成的洪峰流量随之增大,同时排水管道也兼有储水功能等等设计理念上的改变,都会使得排水管道中更加频繁地出现明满流的现象。因此对城市排水管道中的明满流现象做出研究和模拟有着十分重要的实际意义。然而目前城市排水管道的设计仍然是以恒定流假设为主,国内对于城市管道内的非恒定流模拟也刚刚起步不久,对明满流问题的研究也仅仅集中在水工隧洞上,对于城市排水管道中的明满流现象关注较少。本文首先对国内外城市排水管道模型中水力计算部分进行了整理和归纳,并且对于迄今为止的明满流问题的研究成果以及模拟方法进行了总结。在对各种计算方法优缺点进行对比分析的基础之上,针对管道中的一维非恒定流问题,采用特征线法来求解完整形式的控制方程,也即圣维南方程。对于管道中的明满流现象,采用了激波拟合法对明满流间的界面进行数值模拟。对于排水管道明满流过渡过程中有可能发生的各类明满流分界面的类型、决定明满流之间相互转化发生的条件、不同类型的界面的特性进行了研究和总结。在此基础之上,进而提出了采用激波拟合法对不同类型界面模拟的数值计算方法,并以此为基础建立起了明满流计算的数值模型。运用本文所提出的数值模型对四种不同类型的明满流过程进行了模拟,并且同实验资料作对比,结果给出此种模型能够比较好的模拟出管道中各种明满流过渡的情况。另外,对于管道中存在一个以上的明满流界面时,界面之间有可能会形成拘留气泡。本文对于管道中存在两个明满流界面并形成了拘留气泡的情形进行了研究,同时运用激波拟合法对拘留气泡的形成和运动进行了研究。数值模拟给出:当拘留气泡在管道内运动的时候,由于受到压力而体积发生变化,进而引起了压强的变化,这会造成管道内压强的振荡。因此在城市排水管道的设计以及实际运行操作中,应该尽量避免这种情况的发生。

全文目录


摘要  2-3
Abstract  3-7
第1章 前言  7-20
  1.1 研究的主要意义  7-10
  1.2 城市排水管道在国内外的基本情况  10-12
    1.2.1 城市排水系统的组成及分类  10-11
    1.2.2 国外城市排水管道系统的建设状况  11
    1.2.3 国内城市排水管道系统的建设状况  11-12
  1.3 国内外研究情况的综述  12-18
    1.3.1 国外研究情况综述  12-17
    1.3.2 国内研究的情况综述  17-18
  1.4 研究的目的以及主要的工作  18-20
第2章 城市排水管道中的一维非恒定流  20-35
  2.1 城市排水管道中水流的基本特征  20-22
    2.1.1 单独管道中水流的特征  20
    2.1.2 排水管网中水流的特征  20-22
  2.2 管道中一维非恒定流的控制方程  22-25
    2.2.1 一维无压非恒定流的控制方程  22-24
    2.2.2 一维有压非恒定流的控制方程  24-25
  2.3 一维非恒定流方程的求解方法  25-35
    2.3.1 控制方程的简化方法  25-26
    2.3.2 摩阻坡度的表示方法  26-28
    2.3.3 一维非恒定流的数值解法  28-33
    2.3.4 求解方法的比较与挑选  33-35
第3章 城市排水管网中明满流现象的研究  35-41
  3.1 降雨过程中排水管道内明满流之间的转换  35-37
  3.2 明满流界面的形式  37-38
  3.3 造成排水管道中发生明满流过渡的前提条件  38-39
  3.4 明满流模拟方法的对比和选用  39-41
第4章 用激波拟合法对排水管道中的明满流现象进行模拟  41-71
  4.1 用激波拟合法对明满流现象模拟的方法  41-59
    4.1.1 过渡界面为正界面的情况  44-54
    4.1.2 过渡界面为负界面的情况  54-59
  4.2 数值模拟结果的实验验证  59-71
    4.2.1 Ⅰ类正界面数值模拟结果的验证  59-65
    4.2.2 Ⅱ类正界面数值模拟结果的验证  65-67
    4.2.3 两种负界面数值模拟结果的验证  67-71
第5章 明满流界面之间拘留气泡的研究与数值模拟  71-85
  5.1 明满流界面之间产生拘留气泡的条件  71-72
  5.2 拘留气泡中的气体模拟  72-73
  5.3 负界面和正界面之间形成的拘留气泡  73-79
    5.3.1 正负界面之间拘留气泡的数值模拟  74-76
    5.3.2 数值模拟以及结果分析  76-79
  5.4 两个正界面之间拘留气泡的数值模拟  79-85
    5.4.1 正界面之间拘留气泡的数值模拟  80-83
    5.4.2 数值模拟以及结果分析  83-85
第6章 总结  85-87
  6.1 论文的主要工作以及研究成果  85-86
  6.2 尚待完善的工作  86-87
参考文献  87-91
致谢  91-92
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  92

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 市政工程 > 排水工程(沟渠工程、下水道工程) > 一般性问题 > 勘测、规划
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