青龙山灌区青龙河引渠节制闸水力特性数值模拟答辩稿

龙山灌区青龙河引渠节制闸 水力特性数值模拟 本科生毕业设计答辩 指导教师： 主要内容： 一、研究背景及目的和意义 二、节制闸计算模型的建立 三、节制闸计算模型的网格划分 四、节制闸计算模型的参数设定 五、计算结果分析 一、研究背景及目的和意义 本文模拟的工程是青龙山灌区青龙河引渠的 2#节制闸，节制闸的上下游是经过人工开挖而成的。节制闸主要是进行流量分配的水工建筑物。 闸堰是水利工程中主要的建筑物，对闸堰水力特性的分析是工程建设的基础。闸堰水力特性分析的内容主要包括过闸水流流态的判别和不同水位下流量的计算。课题主要是以 2#节制闸为例，建立非恒定流模型，仿真渠道的水力特性。得到节制闸的水位流量关系的同时，分析流场和流态。研究的目的在于熟悉流体力学相关的知识，并在熟悉理论知识的基础上，运用 到节制闸的水力特性，为今后的学习和研究打下坚实的基础。 二、节制闸计算模型的建立 1、节制闸的基本尺寸如图 1和图 2所示 图 1 节 制 闸纵 剖面 图 图 2 节制闸平面图 2、节制闸模型建立 在建立计算模型之前，首先应该对节制闸的模型进行简化处理： 1）去掉节制闸水面以上对于流场没有影响的部分； 2）将闸墩的闸门槽去掉； 3）将节制闸上下游边坡的水面以上的部分设定为直立墙体； 4）在模型的边界处没有必要将网格细化，去掉边界层以减少网格的数目。 节制闸计算模型如图 3所示 图 3 节制闸模型 3、地形图的绘制主要是利用 三、节制闸计算模型的网格划分 由于节制闸的外形复杂，采用结构网格与非结构网格相结合的混合网格形式对模型进行划分，主要的划分规律为： 1）网格的划分尽量采用结构化网格，提高网格的质量。 2）结构化网格的方向尽量与流线方向相一致，使得计算过程中，减少数值耗散，加速收敛，节约计算成本。 3）在流态较为复杂的闸墩和边坡的附近可以采用非结构化网格，这是由于流态复杂，结构化网格的优势丧失，采用非结构化网格可以避免划分网格的困难。 在网格划分时还要考虑到设置时间、计算成本和数值耗散的问题。 网格划分的分区情况如图 4所示 闸墩处的网格划分情况如图 5所示 图 4 网格划分分区 图 5 闸墩处网格划分 四、节制闸计算模型的参数设定 由于研究的主要问题为自由液面的模拟，选择 虑大气压力与重力的影响。 根据资料的已知条件，选定入口处的边界条件为压力入口，出口处的边界条件为压力出口。 本计算模型属于非定常计算，选择时间步长为 始状态为与上游的水位相平的静水。 五、计算结果分析 主要得到的计算结果为闸墩处的流场分析图，自由水面线和上下游水位差与流量关系的曲线。 1、水面线提取 通过在闸墩测点位置建立测线，测定测点的 水面处的水位。 图 6 测点布置图 2、流场和流态分析 水深等值线图 由水深等值线图可以看出节制闸闸墩附近水深的变化情况为： 1）在闸墩的上游侧，水深减小且变化较慢； 2）在闸墩处由于侧向收缩的作用产生垂向收缩，从闸墩的顶冲点开始，水深减小，闸墩两侧的水深较闸墩中间的水深大； 3）在闸墩的汇流区由于两端闸孔水流的汇聚，在闸墩尾部的下游比闸孔的下游水深小； 4）由于下游消能池的作用，在消能池与下游相接的地方水深较之前有所减小； 速度等值线图 5）在下游的圆弧形岸坡的末端，由于水面的急剧拓宽，水深会骤降，在岸坡的边缘出现水深最浅的区域。 由速度等值线图可知，由于该节制闸是轴对称的建筑物，流速的分布情况也是关于中心轴对称的。 1）流速在闸孔处的分布情况为，在闸孔靠近闸墩处， 由于闸墩对于水流的阻力作用和水流的粘滞力作用，水流的流速较小，在闸孔轴线处，流速较大； 2）在闸墩的顶冲点处，水流分流，闸墩两侧流速较大，从顶冲点的上游，流速逐渐减小，在顶冲点处形成环形分布的流速等值线； 3）在闸墩的尾部汇流区，水流汇集，流动从两边的闸孔汇流到下游区域； 4）在消能池处，水流消能，在消能池的下游，水流的流速逐渐减小。 流线分布图 自由液面图 速度云图 速度矢量图 流线图 压力分布图 3、水位差与流量关系1）出口流量的平均值为 s。 上游水深为 水位为 下游水深为 水位为 2）出口流量的平均值为 s。 上游水深为 水位为 下游水深为 水位为 3）出口流量的平均值为 s。 上游水深为