高水头、长距离倒虹吸管水力特性及结构稳定性研究

摘要

本文依托青海引大济湟北干二期引胜沟倒虹吸工程为背景，首先利用专业流体计算软件FLUENT对倒虹吸整体模型进行了设计工况运行条件下数值模拟，分析其水力特性，其次通过MPCCI平台建立FLUENT与ABAQUS耦合接口，利用有限元软件对倒虹吸最底部管段的三维模型进行了设计工况运行条件时的双向流固耦合计算，分析倒虹吸最底部管段的应力和应变特性。计算研究结果主要表明：
　　（1）稳定状态时进、出口段最高水位分别为2712.8m和2705.8m，数值计算的水头损失值与理论计算结果很接近，相对误差为4.1％。
　　（2）进水口段最大流速为9.6m/s位于进水口段排气孔位置，管轴位置流速最大为1.9m/s，向管壁附近减小至1.3m/s，倒虹吸斜管或弯管段最大流速偏离管轴心位置向下，最大压强2.72MPa位于倒虹吸最底部。
　　（3）水位上升过程中倒虹吸2＃管段顶部内存在气囊，无法自行排出，需在2＃与3＃管段衔接处设置综合补排气阀排气，减小管道振动。
　　（4）倒虹吸最底部管段结构静力计算结果显示最大应力出现在镇墩与管道的衔接的边缘顶部和底部，其值为13.2MPa；最大位移出现在管道和支墩间隔的中间位置竖直向下，其值为0.0027m。
　　（5）倒虹吸最底部管段结构双向流固耦合计算结果显示，管道在初始阶段存在强烈的振动，期间最大应力95.3MPa，最大位移0.084m，稳定后的最大应力76.4 MPa，最大位移0.004m，模态分析结果表明管道最小共振频率为1.6071赫兹。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容及创新点

第2章 流体计算及流固耦合基本方法理论

2.1计算流体力学基本理论

2.2模态分析理论和方法

2.3流固耦合分析理论和方法

2.4本章小结

第3章 倒虹吸水头损失理论分析

3.1基本参数及方法

3.2水头损失理论计算

3.3过流能力判定

3.4本章小结

第4章 倒虹吸整体管段水力特性三维数值分析

4.1计算模型参数

4.2水相分布分析

4.3速度分布

4.4压强分布

4.5本章小结

第5章 倒虹吸最底部管段三维结构稳定性分析

5.1有限元计算模型

5.2计算参数及允许应力

5.3明管布设无过水时静力分析

5.4明管布设时模态分析

5.5明管布设双向流固耦合分析

5.6本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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