定床坡面流室内试验及流场数值模拟

作     者：郭慧杰 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙三祥

授予年度：2018年

学科分类：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：坡面水流 数值模拟 模型试验 模拟降雨 

摘      要：坡面流水深很小,受地表自然条件、降雨扰动的影响,其水力特性复杂,已有试验结论不大相同。坡面流水力特性的研究长期受到学术界和工程界关注,本文拟对受单雨滴影响的坡面流水力特性进行采用模型试验与数值模拟,为确定数值模拟模型、离散方法,进一步水力特性奠定一定基础。采用VOF计算模型对雨滴和坡面流进行自由表面追踪,结合标准紊流模型模拟了水、气两相流在雨滴降落过程中变化和落到坡面流中和坡面流各水力学特性参数的变化规律。主要研究内容有:(1)不同雨滴、降雨高度条件下,单雨滴落速、体积的变化,对水体流速的影响,水层厚度对打击力的影响。(2)基于室内定床坡面流放水和降雨试验,分析不同水深、不同坡度及不同床面粗糙度坡面流水力学特性参数(流速、雷诺数、傅汝德数和阻力系数)的变化规律;(3)进行放水条件下定床试验坡面流流速数值模拟,分析雷诺数、傅汝德数和阻力系数,与试验结果比较;(4)基于定床坡面流力学特性参数变化试验结果验证数值模拟结果,确定临界雷诺数。根据模拟与试验结果得出下列结论:(1)相同水层厚度下,终速越大,打击力越大,水层厚度的增大,打击力减小;随高度的增大,雨滴入水直径变小;在相同高度的条件下,随着雨滴直径的增大,雨滴入水直径增大。(2)在相同坡度下,随着粗糙度的增大,平均流速骤减后缓慢减小,最后达到平稳,雷诺数随着粗糙度的增大,骤减后缓慢增加,最后达到平稳;相同粗糙度情况下,随着坡度的增大平均流速增大;不同坡度情况下,雷诺数与坡度呈正比;同床面同流量条件下、随着坡度的增大,傅汝德数呈增加趋势,而阻力系数与坡度亦呈正势关系;相同坡度,不同粗糙度,傅汝德数随着阻力系数的增大而减小。(3)试验测得下临界雷诺数的值约为400。(4)不同降雨强度、坡度15o时,随着降雨强度的增大出现两种流态;雷诺数和傅汝德数随降雨量的增大呈增大趋势,阻力系数呈减小趋势。单宽流量相同时,修正系数随降雨量的增大呈先增大后减小趋势;不同降雨量时,流量与傅汝德数呈现递增趋势。