本文關(guān)鍵詞：多孔消能板陡槽溢洪道消能率影響因素分析和數(shù)值模擬

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【摘要】：陡槽溢洪道作為泄洪建筑物廣泛應(yīng)用于水利工程建設(shè)中,用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水。陡槽溢洪道中的水流具有單寬流量大、流速高、能量集中的特點(diǎn),如不對陡槽溢洪道中的水流能量進(jìn)行充分的削殺,則會(huì)給下游建筑物帶來危害。以往的研究表明,在陡槽溢洪道上設(shè)置多孔消能板可以顯著降低水流能量,減小消力池的深度和長度,降低工程造價(jià)。以往的研究是通過物理模型試驗(yàn)的方法,通過儀器測量來得到模型中測點(diǎn)位置的水力參數(shù)。該種測量方法簡單明了,但僅能得到有限個(gè)測點(diǎn)的水力參數(shù),無法直觀體現(xiàn)出整個(gè)溢洪道內(nèi)流場的水力參數(shù)；此外,受到物理模型條件的限制,能夠得到的工況種類有限。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模型的發(fā)展,人們越來越重視運(yùn)用數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算各種復(fù)雜的水流現(xiàn)象及流場內(nèi)部結(jié)構(gòu)。綜合種種因素,本文采用數(shù)值模擬計(jì)算與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,對多孔消能板陡槽溢洪道內(nèi)流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬,這在以前的相關(guān)研究中是不多見的。本文通過分析已完成多孔消能板陡槽溢洪道物理模型試驗(yàn)成果,總結(jié)了5種消能率影響因素與多孔消能板陡槽溢洪道消能率的關(guān)系。并根據(jù)已完成的物理模型試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)出9種數(shù)值模擬工況,得到數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果后與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。論述了溢洪道流量、陡槽溢洪道坡度和多孔消能板級數(shù)的變化給水流流態(tài)和流速分布帶來的影響,并在此基礎(chǔ)上給出物理模型試驗(yàn)未涉及到的消能率影響因素的變化給多孔消能板陡槽溢洪道底板壓強(qiáng)及紊動(dòng)強(qiáng)度帶來的影響論述,結(jié)論如下：1.通過分析多孔消能板陡槽溢洪道物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù),總結(jié)了五種消能率影響因素與多孔消能板陡槽溢洪道消能率的關(guān)系：增加陡槽溢洪道坡度、多孔消能板級數(shù)和多孔消能板高度可使其消能率增大,增加溢洪道流量、多孔消能板孔面積比,使其消能率降低。同時(shí)給出消能率影響因素的變化對消能率影響的大小,從大到小排序?yàn)椋阂绾榈懒髁?7.11%)、溢洪道陡槽溢洪道坡度(5.54%)、多孔消能板高度(4.01%)、多孔消能板級數(shù)(1.92%)、多孔消能板孔面積比(1.44%)。2.利用數(shù)值模擬軟件Fluent對已完成的物理模型試驗(yàn)進(jìn)行1：1的三維數(shù)值模擬,得到了水流流態(tài)、水面線分布及流速分布,并與物理模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,說明利用RNG k-ε雙方程紊流模型、兩相流VOF模型和PISO算法求解離散方程對于模擬多孔消能板陡槽溢洪道內(nèi)水流是可行的。3.針對紊流模型的選擇做出了紊流模型適用性分析,對比了標(biāo)準(zhǔn)k-ε、 Realizable k-ε和RNG k-ε紊流模型在第一級與第二級多孔消能板間水流流線、流速矢量分布,結(jié)果表明運(yùn)用RNGk-ε紊流模型模擬計(jì)算得到的結(jié)果能更加精確地與物模試驗(yàn)相吻合。從數(shù)值模擬的角度出發(fā),論述了溢洪道流量、陡槽溢洪道坡度和多孔消能板級數(shù)的變化給水流流態(tài)、流速及底板壓強(qiáng)分布帶來的影響,同時(shí)對流量和溢洪道坡度的變化對多孔消能板陡槽溢洪道內(nèi)水流紊流強(qiáng)度的影響做出了論述。得出以下結(jié)：水流流態(tài)：(1)隨著流量的增大,多孔消能板對陡槽溢洪道內(nèi)的水流流態(tài)調(diào)整效果越來越差,水流流態(tài)越發(fā)紊亂,水面逐漸雍高。但三種工況下陡槽段出口流態(tài)基本穩(wěn)定,水面線平穩(wěn)；(2)隨著陡槽溢洪道坡度的增加,多孔消能板對水流流態(tài)的調(diào)整作用更為明顯；(3)隨著多孔消能板級數(shù)減小一級,4級多孔消能板對水流流態(tài)的調(diào)整效果不如5級。水流流速分布：(1)隨著上游流量的增加,在水流流速分布上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；(2)隨著溢洪道陡槽溢洪道坡度的增加,在水流流速分布上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；(3)隨著多孔消能板級數(shù)減小一級,在水流流速分布上各級多孔消能板之間均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。底板壓強(qiáng)分布：(1)隨著流量的增大,第一級多孔消能板前底板壓強(qiáng)從0.5kpa增大到2.4kpa,在第一級、二級板間出現(xiàn)了相對較大底板壓強(qiáng)的沖擊區(qū),沖擊區(qū)隨著流量的增大逐漸向下游移動(dòng)；(2)隨著陡槽溢洪道坡度的增加,坡度5%與坡度9.1%雖然在第一級板前底板壓強(qiáng)最大值雖然相近,但是坡度9.1%下游各級板間底板壓強(qiáng)梯度范圍變大；(3)隨著多孔消能板級數(shù)減少一級,各級板前底板壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)的區(qū)域變大,各級板間底板壓強(qiáng)梯度范圍也變大。紊動(dòng)強(qiáng)度分布：(1)隨著流量從5.1L/s增大到15.3L/s,各級多孔消能板對水流紊動(dòng)強(qiáng)度的消減作用降低,流場的脈動(dòng)情況隨著流量的增大而增大；(2)隨著陡槽溢洪道坡度的降低,無論是Z=0平面紊動(dòng)強(qiáng)度分布還是底板紊動(dòng)強(qiáng)度分布,工況5均降低,說明在溢洪道坡度較小的工況當(dāng)中,流場脈動(dòng)情況較小。
【學(xué)位授予單位】：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TV651.1

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