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水平旋流内消能泄洪洞水力特性的数值模拟
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摘要
目前,高坝的泄水建筑物具有水头高、流量大等特点,其泄洪消能方式多采用内消能工,水平旋流内消能工作为其中的一种,以前多采用模型试验对其研究,数值模拟研究一直未见报导。
     本文通过分析模型试验成果,理解并基本掌握了各水力特性的物理概念之后,应用数值模拟技术,采用大型通用流体计算软件,探讨了水平旋流内消能工的网格划分方法、紊流模型选取、边界条件的合理设置和数值耗散的影响,研究了其可行性。
     采用Realizableκ-ε紊流模型和自由表面追踪技术VOF法实现了数值模拟,得到了旋转水流的各项水力参数,模拟和再现了模型试验成果。并在此基础之上:
     (1)以试验所测的壁面压力为依据,验证了数值模拟的效果,探讨了水平洞内的压强分布规律,水平洞内压强梯度沿程逐渐减小;
     (2)计算分析了水平旋流洞中水流运动的轴向、切向和径向速度,得出了水流流动为准自由涡运动的分布规律,计算得到了旋流夹角的沿程变化规律;
     (3)计算分析了紊动能和耗散率的沿程变化规律,验证了水平旋流的高消能率,进一步证明其作为新型消能工的优势。
     (4)使用不同紊流模型进行计算,结合试验研究,详细比较了各种紊流模型的壁面压力,旋流夹角和消能率的差别,得出了Realizableκ-ε紊流模型更适合模拟该消能工的结论。
The high dam sluices in the building possesses the characteristics of high water head and heavy discharge at present. The patterns of flood discharge and energy dissipation are mostly using energy dissipator. As one of the pattern, level rotary inner energy dissipator, which was investigated in experiments in the past, has not been reported with numerical simulation.
     Author firstly comprehends and masters the concept of each hydraulic characteristic by analysing the model test results in this thesis. Then author investigates the effect and the feasibility of the mesh generation method, the turbulence model, and reasonable boundary conditions and numerical dissipation of level rotary inner energy dissipater with the numerical simulation technique and large universal calculation software.
     Author gets the hydraulic parameters of rotational flow, simulats and reconstructs the model test results using the Realizable k -εturbulence model and free surface tracing technology VOF method.
     (1) Author validates the numerical simulation results based on the wall pressure acquired in the experiments, investigates the pressure distribution in horizontal holes and pressure gradient along porous.
     (2) Author gets the distribution that flow is semi-free vortex and the swirl angle changed along the path by calculating and analysing the axial, tangential and radial speed of flow moment in horizontal holes.
     (3) Author verifies the level rotary flow with high rate of energy loss and proves that its advantages as a new energy dissipator further calculateing and analysing the turbulent energy and dissipation rate along porous.
     (4) Author compared with wall pressure of different turbulence model, swirl angle and dissipation rate with different turbulence model combining with the experimental study, and comes to the conclusion that Realizable k -εturbulence model was more suitable for simulating this energy dissipator.
引文
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