（农业生物环境与能源工程专业论文）闸站合建水利枢纽水闸进水口流态数值模拟.pdf

闸站合建水利枢纠l 水闸进水口流态数仇模拟 摘要 传统的泵站水闸分丌柿置方式，有着良好的进水条件，能较好地解决上下 游水流衔接问题，但由于其占地面积大，易引起征地拆迁与移民安置等问题。 而泵闸合建布置方式能节省投资，泵闸统一管理、联合调度，对节约管理成本、 降低运行费用、提高工程效益十分有利，在工程中得到了较为广泛的应用。 由于结构与布置上的限制，闸站合建枢纽存在着相当的水流问题，回流与 偏流现象严重，流态紊乱，影响枢纽高效安全运行。故对闸站合建枢纽进水流 动进行研究，分析其不良流态成因及其形态，提出合理有效的改善措施，对保 证枢纽安全高效运行有着重要的实际意义。 近年来，随着流体动力学数值求解技术和计算机硬件技术的发展，对复杂 的三维湍流场的研究有了长足的进展。本文以上海青草沙水库取输水泵闸工程 为例，针对水闸进水口高度复杂的三维紊流运动场，构建合理的水闸进水水流 三维流动计算湍流模型，采用雷诺平均纳维一斯托克斯方程和k - 湍流模型， 合理给定边界条件，以流体计算软件f l u e n t 为计算平台，用c f d 技术对该 三维模型进行数值模拟，通过数值模拟和物理模型试验相结合的方法，分析了 进水闸进水口不良进水条件形成的原因，并通过整流措施加以改进，验证了数 值模拟方法的合理性和科学性。 本文在上海青草沙水库取输水泵闸工程水闸进水口水工模型试验的基础 上，对原设计方案和修改方案后进行了数值模拟。数模结果很好的显示方案修 改后良好的水流流态，验证了修改后的水工模型试验合理性。 关键词：闸站合建；湍流模型；数值模拟；进水流念；模型试验 刚站合建水科枢封 水刚进水订流态数值模拟 a b s ik a c i t r a d i t i o n a lt y p eo ft h ep r o j e c tl a y o u to fp u m p i n gs t a t i na n ds l u i ch a v eg o o d i n f l o wc o n d i t i o na n dc a nb e t t e rs o l u t et h ew a n t e rp r o b l e mo ft h er i v e r , b u ts i n c e i t c o v e r sal a r g eo fa r e a , i ti s e a s y t oa r o u s et h e p r o b l e m o fr e q u i s i t i o n o f l a n d ，d i s m a n t l e m e n to fh o u s e sa n dr e s e t t l e m e n tp o p u l a t i o n a n dt h ec o m b i n e d s l u i c e - p u m pp r o d j e c tc a l ls a v ei n v e s t m e n t ，s l u i c e - p u m pu n i f i e dm a n a g e m e n t ，j o i n t m a n a g e m e n t ， a n d c o n s e r v a t i o nm a n a g e m e n tc o s t s ， r e d u c e o p e r a t i n g c o s t sa n d i n c r e a s ee f f i c i e n c yp r o j e c t sa r eb e n e f i c i a li nt h ep r o j e c th a v eb e e nm o r ew i d e l yu s e d a tt h es a m et i m eb l | ? a l u s eo ft h er e s t r i c t i o no fs t r u c t u r ea n da r r a n g e d ， c o m b i n e d s l u i c e - p u m pp r o j e c t e x i s t e n c ec o n s i d e r a b l ec u r r e n t p r o b l e m ，t h e p h e n o m e n o no fs p i r a la n dd e f l e c t e df l o wi ss e r i o u si nt h ef o r eb a y , t h ef l o wp a t t e r n i st u r b u l e n t s o ，t h er e s e a r c ho nt h ei n l e tf l o wp a t t e r no ft h ec o m b i n e ds l u i c e - p u m p p r o j e c th a v ei m p o r t a n tm e a n i n g t os l i r m o u n ti t sl i m i t a t i o n ，d e v e l o pi t sa d v a n t a g ea n d r a i s ei t se f f i c i e n c y r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yi nh y d r o d y n a m i cn u m e r i c a l s ol u t i o na n dt h ec o m p u t a t i o n a lh a r d w a r e ，t h er e s e a r c ho ft h e3 - d i m e n t i o nt u r b u l e n t c u r r e n tf e l di nt h ef o r eb a yo ft h ep u m ps t a t i o nh a sb e e ne n o r m o u s l yi m p r o v e d i n t h i sp a p e r , t h ep r o j e c to fs l u i c e p u m pd e l i v e r ya n dg e t t i n gw a t e rf r o ms h a n g h a i q i n g c a o s h ar e s e r v o i r a sa ne x a m p l e ，o ni n l e ts l u i c e a g a i n s th i g h l yc o m p l e x 3 - d i m e n s i o n a lt u r b u l e n c es p o r t sg r o u n d ，s e tu par e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o no ft h e i n f l u e n tw a t e rs l u i c e3 - d i m e n s i o n a lf l o wm o d e lo ft u r b u l e n c e ，b a s e d0 n n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n sa n dt h es t a n d a r dk 一t u r b u l e n tm o d e ，g i v e nr e a s o n a b l e b o u n d a r yc o n d i t i o nf l u e n t t of l u i dc a l c u l a t i o ns o f t w a r ea sac o m p u t i n gp l a t f o r m s ， t h et e c h n o l o g yu s e dc f di sa p p l i e dt os i m u l a t et h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l 1 1 1 e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a lt e s tm o d e lo fc o m b i n i n gm e t h o do fw a t e ri n l e t s l u i c ea d v e r s ei n l e tf l o wc o n d i t i o n st h ec a u s e s ，a n dt h r o u g hr e c t i f i c a t i o nm e a s u r e st o i m p r o v ev e r i f i c a t i o nm e t h o d st os i m u l a t et h er e a s o n a b l ea n ds c i e n t i f i c i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so f t h ei n t a k eh y d r a u l i cm o d e lt e s tf o ri n t a k ea n dc a r r y w a t e rp u m pg a t ep r o j e c to fs h a n g h a iq i n g c a o s h ar e s e r v o i r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s c a r r i e do u tf o ro r i g i n a ld e s i g na n dr e v i s e dd e s i g np r o g r a m m e 1 r h er e s u l t so ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tf l o wp a t t e r ni si ng o o dc o n d i t i o na n dt h ed e v i s e d h y d r a n l i cm o d e lt e s ti sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：c o m b i n e ds l u i c e - p u m p ；t r b u l e n c em o d e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i n l e t f l o wp a t t e r n ；e x p e r i m e n t a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责 任。 论文作者( 签名) ：王杰型2 0 0 8 生1 e 孑月冲日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或 部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 五盏l 型2 0 0 8 年弓月 闸站合建水利楸纠水进水1 1 流态数值模拟 1 1 问题的提出 第一章绪论 传统的泵闸分建布置方式有着良好的进水条件，较好的解决了枢纽上下游 水流衔接问题，但占地多成本高运行费用也相对较高。而泵闸合建布置方式能 节省投资，泵闸统一管理、联合调度，对节约管理成本、降低运行费用、提高 工程效益十分有利，在工程中得到了较为广泛的应用。闸站合建布置与闸站分 建布置相比枢纽建筑物布置更为紧凑，占地面积大大减小；泵站、水闸的基础 联在一起，可大幅度地降低工程造价；充分发挥枢纽建筑物的作用，井方便运 营管理，达到一站多用的功能。尽管闸站合建布置能取得较好的经济效益，但 由于闸站合建方式在布置与结构上的要求与限制，枢纽上下游水流流态存在着 相当的特殊性与复杂性。在闸、站各自单独运行时，进水水流存在着较大的偏 流现象，水流流向与河床形成一定夹角，从而改变了原河道的水流状态与动量 分布，使河床左右水流动量小平衡，在枢纽上下游产生回流与横向水流，偏流 现象较为严重，致使进水流态相当紊乱【“2 1 。 大量的资料表明，不良进水流态将导致泵站流道内流速与压力分布的不 均，破坏了原设计的流场，进入水泵叶轮的流速力一向受到干扰，从而导致水 泵效率下降、恶化运行工况，严重时将引起水泵发生气蚀和振动，对泵站运行 效率及机组的安全运行产生较大的负面影响；由于进水回流区存在及其影响， 水闸闸孔有效过水宽度减小，从而导致水闸泄流能力下降；回流与偏流的共同作 用将使主流挤压至枢纽一侧，水流淘刷岸坡，破坏建筑物基础，威胁工程安全； 在水中含有大量泥沙的情况下，由于逃水旋涡区的存在，将造成进水1 j f 池边坡 与部分池底泥沙的沉积等问题。若这些水流问题不能有效解决，将会导致整个 枢纽不能正常发挥工程效型3 川。 阐站台建水利楸纠水刚进水漉态数仇楼拟 因此，刈j 1 l i l 站合建工程进水水流特r f ：进行研究，分析j e 彳i 良流念成因及其 形念，提出会理彳f 效约改善措施，对纵h i 枢纽安全商效运行i f 符重要的实际意 义。 1 2 闸站合建枢纽概述 闸站合建枢纽布置型式 在闸站结合布置设计中，根据枢纽功能、闸站规模、地质及水流条件，常有 以下几种型式 ( 1 ) 平面小对称布置 在这种布置方式中，泵站与水闸分居河道两侧，由于泵站集中布置在一侧， 有利于泵站安装、检修和运行管理，适合的申型水利枢纽。 ( 2 ) 平而对称布置 在这种布置方式中，泵站对称嘶j 置于水闸两侧，水闸位届河道中间，适合 以水闸引排为主同时具备开闸通航的中小型水利枢纽。 ( 3 ) 立面分层布置 在这种枢纽布置中，泵站布置在水闸的上层、下层闸室代替水泵流道，适 合规模较小的小型水利枢纽或双向引排的水利枢纽。 1 3 水利枢纽水流流态研究方法概述 水利枢纽中水流流态的分析研究方法通常有水工物理横型试验与数值计算 模拟两种方法。由于进水流态对水利工程枢纽，特别是对泵站枢纽机组的安全 运行及枢纽运行效率有着重要影响，国内外学者对泵站枢纽进水流态及流念改 善措施的分析研究已比较深入。闸站合建枢纽泵站进水水流与单纯的泵站根纽 进水水流榭比，既有相似之处，也有其特有之处。由于物理模型试验所得到的 试验结果真实可信，可解决一些特定的实际工程问题，也可为理论分析与数值 闸站合建水利枢纽水l l i l j 进水口流态数值模拟 计算提供一定的丛础。然而，模型试验 i - ：k 受到模型尺寸、流场扰动、测量精 度、经赞投入、耗资与周期等的限制，同时，物理模型验一般均针时特定的工 程进行，其模拟的工况受到一定的限制，结果带有一定的局限性【6 7 l 。 1 3 1 数值计算模拟研究 计算流体动力学( 简称c f d ) 是建立在经典流体动力学与数值计算方法基 础之上的一门新型独立学科。通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间 和空问上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理 论性和实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流 动提供了有效的计算技术【1 3 】。物理模型一直是流体力学理论研究和解决工程流 动问题的主要手段。为了进一步定量描述各种流动现象，数学模型应运而出。 数学模型将己知的流体力学基本定律用数学方程进行描述，在一定的定解条件 ( 初始条件和边界条件) 下求解这些数学方程，从而模拟某个工程实际问题。 计算流体力学以各种离散方法建立各种数值模型，并通过计算机进行解算， 得到在时间和空间上的数字集合体，最终获得定量描述流场的数值解。与物理 模型相比，数值计算的特点是适应性强，应用面广。首先，一般流动问题的控 制方程为非线性，自变量多，计算域的几何形状任意，边界条件复杂，无法求 得其解析解，而数值计算则能解决这个难题，达到一定精度的数值解可很好地 满足工程需要；其次，可以利用计算机进行各种数值试验，通过调整有关参数 值来实现工程的设计和优化，省时省钱，灵活性大。但数值计算也有弱点：一、 不能提供任何形式的解析表达式，求解结果只能是有限个离散点上的数值解： 二、程序的编制和资料的整理和运用，在相当程度上依赖于经验和技巧。所以， 数值计算和理论分析、现场观测、模型试验是相互联系，相促进的，这几种 方法要有机结合起来，才能较好地解决实际工程问题。近十儿年来，流体数值 计算有了很大发展，取得了丰富的成果，紊流模式不断完善，三维紊流的数学 闸站台建水利机纠水州进水口流态数f l i 【模拟 模型己进入实f 】阶段 1 2 - 1 4 1 。 目丽刈泉站栖纽及闸站合建枢纽进水流动计算置婴硼f 究 i 婴集中在以下两 个方面：1 ) 基于水深平均的二维水流方程计算；2 ) 基于k _ 湍流模型三维流 动计算。对于已具有明显的二维水流特征的闸站合建枢纽枢纽而苦，采用基于 水深平均的二维水流方程在抠纽某些区域已不能反映水流流动情况，故本文将 采用目前上程中应用最为广泛三维流动模型k 湍流模型，进行闸站枢纽进水 流态计算【2 1 。 1 4 计算流体动力学( c f d ) 概述 1 4 1 计算流体动力学的定义 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算 机数值计算和图形显示，对包括含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统 所做的分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的 物理的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代 替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之问关系的代数方 程组，然后求解代数方程组获得场变量的近视值”。 c f d 可以看做是流动基本方程( 质量方程、动量守恒方程) 控制下对流体的 数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置 上的基本物理量( 如速度、压力、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时白j 的 变化情况，确定旋涡分布特征、空化特征及脱流区等。还可据此算出相关的其 他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与c a d 联合， 还可进行结构优化设计等。 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的 完整体系。理论分析方法优点在于所得结果具有普遍性，符种影响因素清晰可 见，是指导灾验研究和验证新的数值汁算方法的理论基硎；。但是，它往往要求 4 闸站台建水年1 j 舡鲥水f i i i j 进水流态数f l | f 饭拟 对计算埘琢逊行抽蒙和简化，爿。行, 4 f i 得j h 理论解。对于非线性情况，只有少 数流动j + 能给：l l 解析结果。 实验测越方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基 础，其重要性_ i 容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全 和测量精度的限制，有时可能很难通过实验方法得到结果。此外，实验还会遇 到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 而c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计 算，就好像在计算机上做一次物理实验。数值模拟可以形象地再现流动情景， 与做实验没有什么区别。 1 4 2 计算流体动力学的工作步骤 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤： ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地况就是要建立反 映问题各个量之例关系的微分方程及相应的定解条件。这是数值模拟的出发点。 没有j 下确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括 质量方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。 ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化 方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分 方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这 些内容，可以说是c f d 的核心。 ( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界 条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花时嘲最多的部分。由于求解 的问题比较复杂，比如n a v i e r s t o k e s 方程就是一个十分复杂的非线性方程，数 值求解方法在艘论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证。j 下是从这个 意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出，这部分工作不是轻而易举就可以 5 闸站含矬水利拟纠水刚进水口浚态数仳擞拟 完成的。 ( 4 ) 显示汁算结果。计算结果般通过图表等方式盟示这对检查和判断分析 质量和结果行畦要的参考意义。 1 4 3 计算流体动力学的特点 c f d 的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线 性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用 c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种 数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验， 从而进行方案比较。再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有 较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、 易燃等真实条件和实验中只能接近而无法到达的物理条件。 c f d 也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依 赖于物理上合理、数学上适用、适合于计算机的离散的有限数学模型，且最终 结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一 定的计算误差；第二，它不像物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立 的数学模型进行验证；第三，程序的编制或及资料的收集、整理与正确利用， 在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计 算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。当然，某些缺点或 局限性可通过某种方式克服或弥补。此外，c f d 因涉及大量数值计算，因此， 常需要较高的计算机软硬件配置。 c f d 有自己的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、实验观测相互联系、 相互促进，但不能完全替代，三者各有各的适用场合。在实际工作中，需要注 意三者有机结合，争取做到取长补魍。 6 闸站余建水利批纠水m - l 进水口流叁数值校拟 1 4 4 计算流体动力学的应用领域 近十f i i 多术，c f d 有了很大的发眨，代替了经典流体力学。 - 的一些近似计算 法和图解法；过去的一些经典教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借助 c f d 手段在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分予输运等现象的问 题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个 研究工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业 制造等领域发挥作用。典型的应用场合及相关的工程问题包括： 水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动 飞机和航天飞机等飞行器的设计 汽车流线外型对性能的影响 洪水波及河口潮流计算 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 温室及室内的空气流动及环境分析 电子元器性能分析及换热器片形状的选取 河流中污染物的扩散 汽车尾气对街道环境的污染 食品中细菌的运移 对这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实 验，而现在大多采用c f d 的方式加以分析和解决，c f d 技术现已发展到完全可 以分析三维粘性湍流及旋涡运动等复杂问题的程度。 1 4 5 常用的c f d 软件 c f d 是2 0 世纪6 0 年代起伴随汁算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪 的迅猛发展，这门学科己相当成熟。成熟的一个重要标志是近十几年来，各种 c f d 通用性软件包陆续出现，成为f ；i 品化软件，为各行各业广泛接受。至今， 7 阐站合建水利格纽水 i i i l 进水口流态数f f f 财暖 c f d 技术的应用早己超越传统的流体力学和流体工程的范畴，如航空、航天、 船舶、动力、水利等，面扩展到化工、核能、冶会、建筑、环境等许多领域中 去了。 各种c f d 通用软件的数学模型的组成都是以n s 方程组与各种湍流模型为 主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自出面流模型以及非牛顿 流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输 运方程与关系式。随着应用范围的不断扩大和新方法的出现，新的模型也在增 加。 目前，常用的c f d 通用软件有p h o e n i c s ，f l u e n t ，s t a r c d ，c f x - t a s c f l o w 与n u m e c a 等。p h o e n i c s 软件是最早推出的c f d 通用软件，f l u e n t , s t a r c d 与c f x t a s c f l o w 是目前国际市场上主流软件，而n u m e c a 则代表 了c f d 通用软件中的后起之秀。 p h o e n i c s 软件以低速热流输运现象为主要模拟对象，由于长期积累以及 s p a l d i n g 在建立理论模型上非凡的创造力，p h o e n i c s 包含的湍流模型、多楣 流模型、燃烧与化学反应模型等相当丰富，其中有不少原创性的成分，如将湍 流与层流成分假设为两种流体的双流体湍流模型m f m 、专为组件杂阵的狭小空 间( 如计算机箱体) 内的流动和传热计算而设计的代数湍流模型l v e l 等都是 s p a l d i n g 与其合作者提出的。p h o e n i c s 的边界条件设置是以源项的方式给定 的。由于p h o e n i c s 以压力校正法为基本解法，从而不大适合高速可压流计算。 p h o e n i c s 软件的价格比其他c f d 通用软件低得多，其高性价比使之成为国内 用户最多的软件。 f l u e n t 这一软件由美国f l u e n ti n c 于1 9 8 3 年推出，是继p h o e n l c s 软 件之后的第二投放市场的基于有限容积法的软件。其市场【j i 有率达4 0 左右， 显然是应川而最广、影响最大的c f d 软件。f l u e n t 提供了灵活的网格特性， 闸站合建水利楸水【i l l i 进水 1 流态数值模拟 用户可方便地使用结构网格和非纠i w j 恻格对各种复杂区域进行列格划分。在结 构化网格- i ，= f _ 适体坐标的前处雕软r i ：，同时也可采用二争门生成网格的软件，如 p a t r a na n s y si - d e a s 及i c e m c f d 等生成网格。速度与压力藕合采用同 位网格上的s i m p l e c 算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及 q u i c k 等格式。代数方程求解可以采用多重网格及最小残差法。湍流模型有标 准k e 模型、r n gk - 模型、r e y n o l d s 应力模型( r s m ) ，等等，在辐射换热计 算方面纳入了射线跟踪法( r a yt r a c i n g1 。可以计算的物理问题类型有：定常与非定 常流动，不可压缩与可压缩流动，含有粒子液滴的蒸发、燃烧的过程，多组份 介质的化学反应过程等。非结构化网格中采用控制容积有限元方法，在该方法 中采用类似于控制容积方法来离散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒性， 同时采用了非结构网格上的多重网格方法求解代数方程。 s t a r c d 是基于有限容积法的一个通用软件。s t a r c d 的1 i i 处理器( p m s t a r ) 具有较强的c a d 建模功能，还可以与目前通用的c a d c a e 软件联接，如 p a t r a n ，a n s y s ，i - d e a s 等，使s t a r c d 在适应复杂计算区域的能力方面具 有特别的优势。同时s t a r c d 还可以处理滑移网格的问题，可用于多级透平 机械内的流场计算。在差分格式方面，纳入了一阶迎风、二阶迎风、中心差分、 q u i c k 格式以及将一阶迎风与中t l , 差分或q u i c k 等掺混而成的混合格式。在 压力与速度祸合关系的处理方面，可选择s i m p l e ，p i g s 以及称之为s i m p i s o 的算法，其中s i m p l e 及s i m p i s o 仅用于稳态而p i o s 可用于稳态及非稳态计 算。在边界条件处理方面，可以处理给定压力的边界条件、周期性边界、辐射 边界等复杂情形。在湍流模型方面纳入了标准k - s 模型、r n gk - e 模型等。应用 这一软件可以计算稳态与非稳态流动，牛顿流体及非牛i 顷流体的流动，多孔介 质中的流动，亚音速及超音速流动，涉及导热、对流与辐射换热的流动问题， 涉及化学反应的流动与传热问题及多相流的数值分析，这。软件在r 本销量占 9 闸站仑建水利枢纠水e q 进东【流念数 f f 楼拟 首位，在y i 乍t 业中广泛用0 二内燃机汁算。 c f x ，t a s c f l o w 则在叶轮桃、饮能： 程等领域厂泛使川。咳软件采用有限容 积法、拼片式块结构化网格，在非l f 交曲线坐标( 适体坐标) 系上进行离散，变量 的布置采川同位网格方式。对流项的离散格式包括一阶迎风、混合格式， q u i c k ，c o n d i f , m u s c l 及高阶迎风格式。压力与速度的祸合关系采用 s i m p l e 系列算法，代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网格、i c c g s t o n 。强隐方法及块隐式方法等。湍流模型中纳入了标准k e 模型、r n gk e 模型，低r e y n o l d s k - 应力模型、代数应力模型及微分r e y n o l d s 应力模型。可 计算的物理问题包括不可压缩及可压缩流动、藕合传热问题、多相流，粒子输 运过程、化学反应、气体燃烧、热辐射等，同时还能处理滑移网格，可用来计 算透平机械中叶片问的流场，有很强的网格生成及后处理功能。 n u m e c a 代表c f d 应用软件中的后起之秀，出于它的前身是计算高速流动 的专业级软件，从而软件的核心部分一离散格式与解法，以及跟求解密切相关 的多层网格等方面的质量很高。其中心格式采用了j a m e s o n 人工粘性显格式， 上风格式采用基于t v d 与通量差分分裂方法的高精致格式，方程求解采用多步 r a n g e k u t t a 法，低速计算采用预条件法等，并采用了多层网格与隐式残差光顺 法等加速收敛技术。该软件的主体部分是在9 0 年代初编制的，这些技术体现了 当时c f d 的最高水平。n u m e c a 后来重点发展叶轮机流动计算模块，由于高 速流动计算的功能很强，从而对于包含跨、超音速区的高速压缩机、汽轮机等 的模拟具有明显优势f 1 6 1 。 1 5 本文的研究内容 本文以上海青草沙水库取输水泵闸工程为例，针对进水闸进水口高度复杂 的三维湍流运动场，通过数值模拟和物理模型试验相结合的方法，分析了进水 闸进水ii 升i 良进水条件形成的原，并通过整流措施加以改进，验证了数值模 1 0 闸站合建水利椒纠水| 1 i 进水口流态数值梭拟 拟方法的合理性和科学性。由于作者的时间和学术水平有限，本论文主要完成 了以一f _ - t ：作： 1 阅读和收集大量国内外文献资料，了解前人在研究进水闸改善进水流念 措施方面的经验和教l i 。 2 运用三维建模软件( a u t o c a d 、g a m b i t 等) 构建三维流动计算数学模型。采 用雷诺平均纳维一斯托克斯方程和k - e 湍流模型对上海青草沙水库取输水泵闸 工程水闸进水口进行三维流动计算。 3 模型试验提出改进方案措施，数值计算验证其改进效果。 闸站台建水制楸纽水闸进水 1 漉念数 f t 拟 2 1 工程概况 第二章水闸进口水流物理模型试验研究 青草沙水源地原水工程由青草沙水库及取输水泵闸工程、长江原水过江管工 程、岛域陆域输水管线及增压泵站工程等三大主体工程组成，分别立项建设。原 水工程总体系统方案为：采用长江取水泵站和水库引水闸组合方案，实现青草沙 水库长江北港取水。长江原水经水库调节后，籍水库输水泵闸及输水管线( 包括 长江过江管) ，向上海市陆域水厂提供原水，同时向邻近水库的长兴岛水厂供水， 建设陆域输水系统以满足上海陆域现有水厂和规划水厂原水需求。 青草沙水库及取输水泵闸工程出新建大堤、中央沙圈围南堤和西堤加固、长 兴岛老海塘加高加固、中央沙北围堤改造、上游取水泵闸、下游水闸、输水干线 进水口和长兴岛输水支线输水泵站等工程组成。青草沙水库及耿输水泵闸工程总 体布置见图2 1 。 众 图2 - 1 青草沙水源地原水工程总体嘶j 置示意图 1 2 闸站台建水利楸纠水闸进水f l 流态数f j 【微拟 ， ：游 口位霄设 为7 0 m ， 泵闸取水口位置推荐设和f j = 草沙水库西北端的新桥通道内，在取水 胃取水泵站、引水| 1 l l j 。收水泵站规模为2 0 0 m 3 s ，引水闸闸孔总宽 原设汁方案上游取水泵闸 ：程主要由上游水闸、取水泵站、水闸内外消 力池、泵站进出水池、内外侧引渠、防冲槽、翼墙、拦污拦鱼设施及连接堤 等组成。泵闸并列布置，水闸总宽8 2 6 0m ，泵站总宽5 8 6 0m 。因交通桥布 置的需要，闸室偏外江侧，泵房偏内侧，二者中心线错开3 6 0 m 。泵、闸问 以导墙隔丌，隔墙宽3 m 。泵、闸两侧与引堤相接，泵房、闸室外江侧设交 通桥与围堤堤顶道路平顺连接。泵闸两侧围堤堤线与泵闸轴线间由引堤向内 弯曲，两侧引堤间形成进水渠。进水渠底除消力池、进水池、防冲槽外海漫 段均用灌砌块石护底。拦污拦鱼设施总长3 1 2 o o m ，共分1 3 段。在泵闸内侧 设置导堤，形成内侧引渠( 出水渠) ，出水渠底海漫段均用灌砌块石护底并 在海漫末端设置防冲槽和防冲钢板桩，防冲钢板桩顶导梁加高至0 5 m ，形成 挡水坎，以保证水库水位降至1 5 0m 时消力池后仍留有一定水深，利于闸下 消能防冲。水流经过内侧防冲槽后需向库区扩散，由于原滩面高程为0 5 1 o m 左右，高于水库死水位，出闸水流受阻，所以需在内侧防冲槽后延伸内 侧引渠形成库内引渠以引导水流至东侧库区。 库内引渠结合水库疏浚渠布置，底高程1 5 0 m ，边坡坡度l ：5 。根据数 模计算成果，防冲槽后流速较大，超过渠底土质的不冲流速，须对渠底及边 坡进行适当保护，保护范围为自内侧防冲槽末端外不小于l o o m ，采用沙肋 软体排上压抛石护底。 外侧防冲槽外，因泵、闸取水要求开挖至一2 o m 一1 5 0 m ，与进水口 外天然地形平顺连接，需作保滩护底，范围约l o o m ，与先期护底齐平，采用 混凝土铰链排护底。 在水闸西岸布置水闸检修平台，检修平台结合岸墙稚置，采用空箱结构， 空箱内句置液压油泵房，在泵站东岸布置副厂房及3 5 k v 变电站。与泵站东 岸引堤棚连的为施工平台，施一l ：结束后加以利用，在其内布置气象观测站及 其他附属设施。 闸站含矬水利枢纽水州进水e i 流态数仇糍拟 2 2 试验研究目的与主要内容 2 2 1 试验研究目的 水一l ：模型试验的研究目的包括： ( 1 ) 针对原设计方案枢纽布置，通过物理模型试验分析水闸运行和泵站运 行情况下枢纽的进出水流态、滩面冲刷及淤积范围等特性，验证原设计方案泵闸 整体枢纽布置( 包括泵闸轴线位置、方位角) 的合理性； ( 2 ) 对泵闸枢纽平面稚置、进出水渠长度、消力池长度及深度、海漫长度 等提出优化建议，为工程设计提供参考依据。 ( 3 ) 通过物理模型试验，分析闸门操作过程中枢纽水流流态、流速分布及 动静水压力分布等水力要素的变化过程，据此对闸门操作运行方式提出建议。 2 2 2 试验研究主要内容 试验首先对上游取水泵闸工程原设计方案进行验证，对其作出水力学评价， 在此基础上，对原设计方案工程布置进行优化，提出改进建议，并进一步对优化 方案进行试验验证。 水工模型试验主要研究内容包括： ( 1 ) 泵闸总平面布置方案验证及优化 初步设计方案泵闸轴线位置( 与交通桥中心线重合) 距青草沙主堤中心线 7 7 3 m ，进水引渠及两侧引堤较短，不利于进水流念的调整，闸室、泵房结构易 受外江潮浪的侵袭，需通过模型试验验证泵闸轴线位置及方位角的合理性。 ( 2 ) 引渠进、出水口体型稚置试验及优化 在初步设计方案的基础上，针对不同型式的进水口体型，观察进口流态变化、 出水口及出水渠的流态、水力衔接形态，特别是水闸闸下出流冲刷，提供各种工 况闸( 泵) 上、下游试验范围内的水力参数，包括防冲槽木端的水流流速数据等， 优化引渠进出水口体型布置方案。 ( 3 ) 泵闸自j 导流隔墙妇置型式试验及优化 验证初步设计中泵闸问导流隔墙伽置及长度的合理性，通过改变泵闸脚导流 1 4 阐站含建水利机纽水闸进水口流态数f f ( 羊5 1 拟 隔墙的长度及头部形状，观察采立i i j 进口流念变化，提i 出埘水袋运行的影响分析， 尽可能使每台水泵进水口流速丛木均匀，取水量相等，避免产生旋涡，据此提出 导流隔墙k 度及头部形状的优化建议。 通过对方案的修改比较，在不同工况下，观测水流流念，从而改进水闸过流 能力、改善水流流态。 2 3 水力模型设计 模型设计制作遵循水利部部颁标准水工( 常规) 模型试验规程( s l l 5 5 9 5 ) 执行。对试验规程未涉及的内容参考水力计算手册、模型试验量测技术 以及以往有关科研成果及试验方法进行处理。整体枢纽模型布置如照片2 1 照片2 - i 整体枢纽模型布置 2 3 1 模型设计 2 3 1 1 模型设计 根据试验任务书要求及工程的水流特点，试验采用j l 何正态整体水工模型。 模型按重力相似准则设计，模型几何比尺4 = 5 0 ( 原型：模型) ，相应其它 物理量比尺( 原型：模型) 为： 流速比尺：乃= 各”= 5 0 “2 = 7 , 0 7 1 j 5 阑站赍她水利拟纽水闸进水口流态数f i l i 车葵拟 流：建比尺：砧2 ”= 5 0 5 ”= 1 7 6 7 7 6 7 0 糙率比尺：以2 爿“= 5 0 ”6 = 1 9 1 9 水深比尺：无2 4 25 0 2 3 1 2 模拟区域 模型模拟范围包括进水口、外侧防冲槽、外河海漫、外消力池、模型模拟范 围包括迸水口、外侧防冲槽、外河海漫、外消力池、闸室泵房段、内消力池、内 河海漫、内侧防冲槽、出水渠等。考虑到工程的水流特点，库区南侧模拟至中央 沙北堤，西侧模拟至距泵闸中心线6 0 0 m 处，东侧模拟至距泵闸中心线1 0 0 0 m 处； 长江侧模拟范围向北延伸至进水口外距水库北堤5 0 0 m 处，东、西侧均模拟至距 泵闸中心线8 0 0 m 处。模型模拟范围东西向最大长度约1 8 0 0 m ，南北向最大长度 约1 2 0 0 m 。模型总长约4 2 m ，总宽约2 5 m 。 2 3 1 3 模型制作 拦污拦鱼栅清污机桥桥墩、水闸、泵站等建筑物部分采用有机玻璃制作，平 面、立面精度按相关试验规程，格控制。有机玻璃的糙率为0 0 0 7 0 0 0 8 ，按 相似理论换算至原型与混凝土糙率相近。 拦污拦鱼栅栅片体型根据等有效过流面积比进行概化，选用p v c 塑料板，用 电脑刻制，精度能满足试验规程要求。 长江侧河道及库区地形用水泥砂浆制作，长江河床和北堤护面以及库区出水 渠按常规糙率为0 0 2 2 5 左右，模型中采用水泥粉和细砂仔细抹面，其糙率约为 0 0 1 1 0 0 1 2 ，能满足阻力相似要求。库区滩地部分处于水位变化区，干湿交 替可能有植被生长，其糙率较大，按常规取为0 0 3 ，相应模型糙率应为0 0 1 5 6 0 0 1 8 2 ，模型制作中抹面砂浆采用专门的拉毛工艺处理，其糙率在0 0 1 7 左右， 基本满足阻力相似要求。 水泵只模拟流量，选用6 台小型水泵，每台配一台流量调节阀控制单机流量， 试验前撇据运行工况对各泵流量进行率定。 2 3 2 模型边界处理方法 出于忽略了平行于北堤的k 汀原型边界( 距北堤5 0 0 m 处) 上的水量交换， 模，催中平行于北堤的长江外边界设置为固定边界，因而模型中共有三个进出水 闸站合矬水利概纽水闸进水几流念教f | f 模拟 边界( 水库侧进出水边界，长江东侧进出水边界，长江i 撕侧进出水边界) ，其【i f 水库侧模型进出水边界相对简堆，不予赘述。长江侧东d u 阴侧边界均为进出水 双向边界，落潮时，西侧边界进流，东侧边界出流，涨洲时则相反。模型中迸 水边界聚用溢流墙调整进水流量沿长江宽度方向上的分配，在模型进口前设置 一道等高溢流墙( 墙顶面向来流方向倾斜，即来流面稍低，出流面稍高) ，墙顶 适当放置阻流块，调节过墙流量的沿线分布。试验中根据各工况的水位、近岸 平均流速和地形资料分段计算进水流量，通过调整对应位置的溢流墙顶部的阻 流块保持各段供水流量与各段过水断面面积相匹配，墙后再通过插板( 反向运 行时为尾门) 进一步调整流速分布使之与给定的潮流流速基本一致，尽量减少 边界的不利影响，保持模型区水流的相似性。模型中在泵闸分界线上下游各 5 0 0 m 处布置测速断面，验证进口流速分布。 2 3 3 模型量测仪器 ( 1 ) 流量 枢纽模型共有三