旋流阻塞泄洪洞空腔旋流特性的试验与数值模拟研究

论文摘要

在水平旋流泄洪洞内增设阻塞-渐扩设施,可对水平旋流洞段起到明显的增压减速效果,消除高水头下起旋器出口部位出现的负压,改善洞内水流空化条件,同时洞内消能率可得到显著提升。由于洞内空腔旋转水流的复杂性,本文结合国家自然科学基金“旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流水力特性研究”,采用模型试验,以及RNGk-ε双方程紊流模型和VOF两相流模型的数值模拟方法,对旋流阻塞泄洪洞的空腔旋流进行了研究。主要成果有:（1）对阻塞空腔旋流的数值模拟方法进行了分析探讨,选择了可适用于旋转气水两相流流动的模拟方法,数值模拟与试验成果吻合良好,验证了该方法的可行性。（2）空腔直径和旋流角沿程均呈在水平洞段逐渐减小、到阻塞段开始后逐渐增大的规律;空腔直径随上游水位的增加而减小。（3）起旋器靠近端头的底部区域压强略大,断面上呈底部略大的同心圆分布。水平洞段压强沿程小幅波动变化,断面压强呈底部略大的同心圆分布。阻塞段压强沿程减小,断面压强也具有近似同心圆分布规律。随上游水位升高,竖井洞段壁面压强增大,起旋器至阻塞段近似呈线性增大,阻塞扩散段压强在下游自由出流时随上游水位变化很小,在淹没出流时随上游水位升高而增大。（4）断面平均流速由起旋器口沿着水流方向逐渐减小,到阻塞段后急剧增大。切向流速在水平洞段z/D=0至z/D=2区间呈自由涡分布特征,z/D=2后呈自由涡和强迫涡的组合涡分布特征。旋流洞内轴向流速沿程减小,在水平洞段至阻塞段沿径向呈近壁面较大、气水界面较小的规律,在阻塞段沿径向呈较为均匀的流速分布规律。（5）高紊动区出现在起旋器端头和扩散段区域,横断面上靠进空腔界面处水层紊动较大,下游淹没出流条件扩散段紊动能大于自由出流条件。（6）起旋器与水平旋流段消能率可达40%以上,加上扩散段气水混掺消能及退水洞消能,总消能率可以达到90%左右。

论文目录

摘要

Abstract

主要符号表

1 绪论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外旋流内消能工研究进展

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.3 本文的主要研究目的、内容及技术路线

1.3.1 研究目的及意义

1.3.2 主要研究内容

1.3.3 研究方法和技术路线

2 水平旋流泄洪洞模型试验与数值模拟方法探讨与选择

2.1 模型试验

2.1.1 试验体型

2.1.2 试验建模

2.1.3 试验工况

2.1.4 试验量测

2.2 数值模拟

2.2.1 紊流模型选择

2.2.2 离散方法与计算方法选择

2.2.3 近壁面处理

2.2.4 计算域确定及网格划分

2.2.5 多相流模型选择

2.2.6 边界条件

2.3 本章小结

3 水平旋流阻塞泄洪洞的水力特性

3.1 流态

3.1.1 自由出流下流态

3.1.2 淹没出流下流态

3.1.3 上、下游水位对流态的影响

3.2 泄流量

3.2.1 水位流量关系曲线

3.2.2 流量系数与泄流规律分析

3.3 壁面压强

3.3.1 进口与竖井段壁面压强

3.3.2 起旋器壁面压强

3.3.3 水平旋流段及阻塞扩散段壁面压强

3.3.4 上、下游水位对壁面压强的影响

3.4 空腔直径

3.4.1 空腔直径沿程变化

3.4.2 上、下游水位对空腔直径的影响

3.5 旋流角

3.5.1 旋流角沿程变化

3.5.2 上、下游水位对旋流角的影响

3.6 流速

3.6.1 流速分布

3.6.2 上、下游水位对流速的影响

3.7 本章小结

4 水平旋流段水力特性数值模拟研究与分析

4.1 数值模拟模型验证

4.1.1 自由出流条件下验证

4.1.2 淹没出流条件下验证

4.2 水力特性规律分析

4.2.1 压强

4.2.2 空腔直径

4.2.3 旋流角

4.2.4 流速

4.2.5 紊动能

4.2.6 消能率

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 龙建

导师: 张宗孝,李奇龙,王平

关键词: 阻塞渐扩,水平旋流,水力特性,数值模拟

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 西安理工大学

基金: 国家自然科学基金面上项目——“旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流特性研究”(51479164)

分类号: TV135.2

总页数: 81

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