洞塞消能的数值模拟

摘要

随着高坝建设的发展,尤其是在开发中国西部水能资源所面临的高水头、窄河谷、大泄量条件下,常规的底流消能和挑流消能很难达到有效、安全和经济的要求.为此,国内开展了新型消能工的研究,并取得了巨大成就.洞塞式消能工作为一种高效内消能工,在泄洪洞消能中具有很多优点.1、体型简单,便于施工,投资少,不需要特殊的进水口;2、消能率高,在高水头下运行安全可靠;3、洞中为有压流,洞内消能不会产生雾化等影响环境的问题.该文结合试验结果,把洞塞分成轴对称和非轴对称两种情况,应用数值模拟的方法对其进行了研究.论文主要由三部分组成.论文的第一部分归纳了挑流、底流和面流这三种常规消能工的优缺点,并结合中国坝工建设的实际,综述了中国消能研究的进展和水平以及论文的选题背景.同时对数值模拟的方法和理论做了简要的概述.论文的第二部分是应用FAST-2D程序对轴对称布置的洞塞消能进行了数值模拟.对单级洞塞消能计算结果的分析表明:计算结果与实验结果符合较好,误差在5﹪以内,从而验证了采用κ-ε模型模拟洞塞消能的可行性.在此基础上,通过对不同面积比下二级洞塞消能的计算,对多级洞塞的布置进行了优化,并给出了洞塞内最小压强点的压强水头计算公式.最后,对三维非轴对称布置的洞塞消能进行了模拟计算.这部分内容采用大型商业化程序FLUENT来模拟洞塞的消能.网格生成应用了程序GAMBIT.通过计算结果的分析,得到如下结论:1、单级洞塞的消能率与洞塞的布置形式基本无关,而主要决定于洞塞面积和泄洪洞面积之比;2、在非轴对称布置多级洞塞情况下,消能水头会大幅度增加.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1开展消能研究的重要意义

1.2泄洪消能工类型及其在我国的发展水平

1.2.1常规消能方式

1.2.2消能工的新发展

1.3论文的选题背景

1.4数值模拟在消能计算中的应用

1.5论文的研究内容及其组织结构

第二章数值模拟的理论基础

2.1流体运动的基本方程

2.1.1流体的本构方程

2.1.2流体运动的基本方程

2.2κ-ε两方程模型的导出

2.3κ-ε模型在轴对称和三维直角坐标系下的具体形式

2.3.1轴对称坐标系下κ-ε模型的方程

2.3.2三维直角坐标系下κ-ε模型的方程

2.4本章小结

第三章轴对称洞塞消能的数值模拟

3.1洞塞消能工的简介

3.1.1洞塞消能的理论分析

3.1.2采用洞塞消能的工程实例

3.2应用程序FAST-2D的简介

3.2.1网格和变量序列

3.2.2边界条件

3.2.3变量类型和存储方式

3.2.4程序结构及相关说明

3.3单级轴对称洞塞的数值计算结果

3.3.1工况选择

3.3.2计算结果的处理方法

3.3.3计算结果与实验和经验公式的比较

3.3.4计算结果分析

3.4本章小结

第四章多级洞塞消能工的布置优化

4.1不同面积比下二级洞塞消能的数值计算结果

4.1.1工况选择

4.1.2计算结果

4.1.3计算结果分析

4.2布置优化

4.2.1处理方法

4.2.2计算结果及其分析

4.3本章小结

第五章三维非轴对称洞塞的消能计算

5.1程序介绍

5.2三维单级洞塞消能的计算与分析

5.2.1一级轴对称洞塞消能计算结果

5.2.2一级非轴对称洞塞消能计算结

5.2.3有两个孔口的洞塞消能计算结果

5.2.4计算结果分析

5.3多级非轴对称洞塞消能的计算与分析

5.3.1计算工况选择

5.3.2计算结果及分析

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢