水电施工截流模型试验及其水力特性数值模拟研究

【摘要】：我国水电工程建设的高速发展,为大江大河的截流积累了丰富的工程和理论经验。相比于河道截流的物理模型试验,数值模拟技术在很多方面具有不可比拟的优势。特别是ANSYS Workbench的新开发平台,兼容了包括流体和流场在内的很多模块。本文根据实际工程进行了水电工程截流模型试验,提出了基于ANSYS的截流龙口水力特性数值模拟方法。 根据模型试验规程的要求,以实际工程的截流为依据,进行截流模型试验研究。从模型的比尺确定、河道模型的设计与制作、河道模型的率定,到试验过程设计、截流试验准备,进行了较详细的论述。然后按试验工况详细整理了截流试验成果,并对试验结果进行了分析。研究发现,截流难度随截流流量的增大而增大,随分流能力的增强而降低,随下游尾水位的抬高而降低。在模型试验中,引入VDMS监测流场流态及表面流速分布,对截流控制性参数进行模拟,提出了分流因数的面积积分方法,通过统计分析来研究龙口宽度、截流流量大小、导流洞进口分流条件、下游电站蓄水位及隧洞流态等因素与导流洞分流能力的关系。 在截流试验的基础上,提出了截流河道水流及其龙口水力学参数的数值模拟方法,并基于ANSYS建立了具有自由表面的水流流动分析模型。本文以APDL模块建立几何模型,以ICEM CFD模块建立流场模型,在CFX-Pre模块中设置流场分析类型、定义边界条件、加载初始条件,通过CFX-Solver Manager实现流场分析计算,并采用CFD-Post模块进行数值模拟,详细介绍了河道流场数值模拟的过程。仿真后处理模块可以实现流速、水深等水力学要素的可视化表达。通过与光滑壁面流场的对比分析发现,在进口附近的水面线位置较低,水流紊动强度较弱。 在进行水电施工截流龙口水力学参数的数值模拟时,将非恒定流离散化为恒定流进行处理。根据模型试验工况一的上下游水流参数(流量、水位、流速等),进行了四种龙口宽度的截流龙口水力学参数的数值模拟。结果表明,通过调用ANSYS Workbench的后处理模块,利用isoface和polyline求解截流期间不同龙口宽度的河段水面线高程。利用isoface和contour配合可以很好地解决龙口范围的流速分布及大小问题。采用纵横断面及水平剖面切割的方法去拾取、观察龙口范围内的流场。特别是通过使用等值面isosurface设置流速选项,利用水平面,结合等值线云图,取不同的流速值,观察流场中的位置,能够形象直观的描绘龙口流场内的流速分布情况。最后,通过对比分析戗堤宽度对截流龙口的流速、水面变化等的影响,发现宽戗堤较窄戗堤,可以改善水流对戗堤端头的冲刷,同时也带来了龙口轴线下游流速增加的问题。 本文通过对河道截流的物理模型试验和数值模拟试验的对比研究,说明利用ANSYS Workbench进行截流水力特性的数值模拟是可行的,为水电施工截流的数值模拟提供了一种新的思路。 【关键词】：模型试验 截流水力学 河流仿真 紊流 自由水面
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV135.5;TV551.2
【目录】：

• 论文创新点5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 1 引言12-24
• 1.1 问题的提出12-13
• 1.2 截流实践与模型试验13-19
• 1.2.1 截流实践及发展13-17
• 1.2.2 截流模型试验17-19
• 1.3 截流研究现状及发展趋势19-23
• 1.3.1 截流研究现状20-22
• 1.3.2 截流发展趋势22-23
• 1.4 本文研究内容23-24
• 2 试验理论及方法24-38
• 2.1 物理模型试验理论24-32
• 2.1.1 相似原理24-28
• 2.1.2 量纲分析28-31
• 2.1.3 流体运动相似理论31-32
• 2.2 数学模型32-37
• 2.2.1 质量守恒方程32-33
• 2.2.2 动量守恒方程33-35
• 2.2.3 能量守恒方程35-36
• 2.2.4 组分质量守恒方程36
• 2.2.5 控制方程的通用形式36-37
• 2.3 小结37-38
• 3 截流物理模型试验研究38-84
• 3.1 模型设计38-42
• 3.1.1 模型比尺的确定39
• 3.1.2 河道模型设计与制作39-41
• 3.1.3 河道模型率定41-42
• 3.2 模型试验42-74
• 3.2.1 试验过程设计42-45
• 3.2.2 截流试验准备45-47
• 3.2.3 试验成果47-74
• 3.3 试验结果分析74-82
• 3.3.1 影响截流分流因素76-80
• 3.3.2 截流控制技术80-81
• 3.3.3 截流模型试验新技术的应用81-82
• 3.4 小结82-84
• 4 截流河道水流的数值模拟84-109
• 4.1 截流河道水流数值模型84-95
• 4.1.1 河道几何建模85
• 4.1.2 河道水流流场构建85-87
• 4.1.3 流场边界条件87-95
• 4.2 河道水流数值模拟95-103
• 4.2.1 河道水流流速95-100
• 4.2.2 河道水面线100-102
• 4.2.3 自适应网格102-103
• 4.3 考虑糙率的河道水流仿真103-108
• 4.4 小结108-109
• 5 截流龙口水力特性的数值模拟109-139
• 5.1 截流龙口建模109-118
• 5.1.1 龙口几何模型109-112
• 5.1.2 定义模型边界112-118
• 5.2 截流龙口水力特性数值模拟118-136
• 5.2.1 初始龙口分析118-130
• 5.2.2 龙口50m宽分析130-132
• 5.2.3 龙口40m宽分析132-135
• 5.2.4 龙口20m宽分析135-136
• 5.3 宽戗堤龙口136-138
• 5.4 小结138-139
• 6 总结与展望139-141
• 6.1 总结139-140
• 6.2 展望140-141
• 参考文献141-148
• 攻博期间发表的科研成果目录148-149
• 致谢149

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