某阶梯溢洪道的水流水力特性数值模拟研究

作     者：高梦露 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘亚坤

授予年度：2015年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：阶梯溢洪道 紊流模型 VOF模型 水力特性 联合消能 

摘      要：为了充分研究某阶梯溢洪道的水流水力特性,本文在CAD中建立阶梯溢洪道的计算区域,采用ANSYS ICEM CFD软件划分结构化网格,应用FLUENT,采用k-ε模型模拟紊流和VOF法追踪自由水面,分别在不同工况下对阶梯溢洪道进行整体三维流场数值模拟。将水面高程、底板压强、断面流速及消能率的计算结果与实测数据进行对比分析,两者吻合良好。为避免台阶空蚀空化、冲刷破坏和保证消能充分,提出了台阶、消力池及消力墩的联合消能的溢洪道。研究表明本文所采用的三维数值模拟区域和计算方法能够较准确地反映阶梯溢洪道的水流流场特性,快速提供更加细腻、完整的流场信息,且能为结构的优化设计提供可靠的依据。主要研究成果有：(1)关于水流流态。阶梯溢洪道上为滑行水流,台阶内的漩涡顺时针旋滚。溢洪道坡度为15.9°,是缓坡。上一级台阶边缘的尾流干扰相邻下一级台阶水流流态,使下一级台阶内形成三维不稳定回流,形成“尾流-台阶相干扰型滑行水流。(2)关于压强。每个台阶上压强分布均匀且规律相同。当台阶内有水流旋滚时,水流冲击水平段,产生最大正压;背离台阶铅直面,产生最大负压。当台阶内无水流旋滚时,竖直面产生较小负压或者不产生负压。(3)关于流速。典型断面中垂线水深流速分布规律是在固壁面上流速为零,越接近水面流速越大,直至水面为最大。台阶凹角处存在漩涡,漩涡中心速度趋近于零,向外逐渐增大,至自由水面流速为最大值。(4)关于消能率。阶梯末端消能率均已达到80%以上,说明阶梯消能效果显著。但是,随着上游水头的增大,水流和台阶碰撞消耗的能量占总能量比重减小,坝面的消能率反而降低。联合消能的阶梯溢洪道消能率达到95%以上,效果理想;消力墩之后的水流流速较小,流态稳定,可作为解决今后实际工程中消能问题的新措施。