（流体力学专业论文）三峡永久船闸输水廊道水动力学特性研究.pdf

0 ，人学倾i 7 似论殳摘蝗 摘要 存高水头船闸输水过程中，当阀门丌启和关i ；4 时，阀门后廊道内会产生m 匾 定分离叫流与漩涡运动。负、高速水流以及压力与流速的剧烈变化容易引起宅 化、门振、声震等现象，对输水廊道等水 建筑物造成小良的影响。 一峡永久 j f 】刚总水头为1 13 米双线h 级船闸，中| 1 1 1 j l t 级最大水头达4 52 米， 其水力学问题复杂。l b 于输水阀i j 是船闸输水系统的咽喉，其运转i f ：常与7 r 直接 决定着船闸的安全运行，【x lj l l x , 1 n j 段输水廊道的水动力学特性的分析与研究具 有重要意义。 本文基f 不可址缩的雷诺平均n s 力程，利用有限控制体积法、s i m p l e 方 法、标准k e 湍流模型辅以壁岍函数，采片 f l u e n t 软件数值模拟阀门段输水 廊道内部的湍流流动。 侄自口人研究的基础f ：根据物理模型的特点，对边界条件适定性进行了分析 研究并通过数值。爻验进行验证；在l 游及阀门井边界条件的处理卜提出了两种更 加符合其物理本质的边界提法反映_ 其水位的变化，较前人阀门井刚盖假定更 为合理：考虑了阀门体型和l i j i 门与门楣之问的缝隙对水流的影响：并且利用动网 格技术解决了阀j 转动的动边界问题。 对_ 二三峡永久船闸末级闸首阀门段输水廊道进行了二维数值模拟。利用阀门段 输水廊道的内部流场的速度，压力等数值模拟结果，埘阀门段输水廊道的内部水 流流动特征进行了分析和解释说明并研究了阀门后廊道顶部和门楣缝隙等部位 的压力特性，分析比较了以不同速率开启阀门和在不l 司开度下紧急关闭阀门对阀 门段输水卣j 道内部流场特性的影响。将计算结果与实验结果进行对比，两者变化 趋势一+ 致，验证了边界条件提法的合理性及数值方法的可行性。 由于三维数值模拟的计算 作量巨大，剑目前为j ：对三峡永久船闸输水廊道 内部水流进行数值计算的模型均为维或二维模型。为了考查三维模型和二维模 型数值模拟结果的差异，作者对永久船闸末级闸首阀门段输水廊道进行了三维数 值模拟，对1 i i 刊截面的流态进行了分析。并与二维数值模拟结果作埘比，发现两 者结果虽有一定差异，但总体趋势比较一致，说明了二维数值模拟结果基本可以 反映二维数值模拟的情况。 关键词：湍流模型数值模拟内部流动输水廊道永久船闸- i 峡工程 上盟型兰堂兰竺型! ! l a b s t r a c t d u r i n gt h eg a t e o p e n i n ga n dg a l e - c l o s i n gp e r i o d s ，u n s t e a d ys e p a r a t e dl l o ww i t h c o m p l i c a t e de d d y , m o t i o n so c c u r si nt h er a d i a l g a t et u n n e lo fah i g h r i s es h i pl o c k n e g a t i v ep r e s s u r ea n dh i g hv e l o c i t ya sw e l la st h e i ri n t e n s ef i u c t u a t i o n sc o u l de a s i l v r e s u l t i nh a r m f u lf l o wc a v i t a t i o n s g a t ev i b r a t i o na n ds o n i cb o o ma n dd e t r i m e n l a l e t l j e c t st ot h eh y d r a u lcs t r u c t u r e w i t hat o t a lh e a do f113m e t e r sa n dam a x i m u mh e a df o rt h em e d i a t es t e po fu p t o4 52m e t e r s ，t h ep e r m a n e n tt v y o - w a ya n df i v e - s t e ps h i pl o c ki nt h et h r e eg o r g e s p r o j e c th a sm a n yv e r yc o m p l i c a t e dh y d r a u l i c c h a l l e n g e s s oi ti s s i g n i f i c a n tt o a n a t y z ea n dr e s e a r c ho nt h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e v e r s er a d i a l a t e t _ n n e l b a s e do nt h ei n c o m p r e s s i b l er a n se q u a t i o n s ，f i n i t ev o l u m em e t h o d ，s t a n d a r d k 一t u r b u l e n c em o d e la n dw a l l f u n c t i o n ，t h et h e s i su s e st h ec f ds o f i w a r e f l u e nft os i m u l a t et h ev i s c o u sf l o wi nt h er e v e r s er a d i a lg a t et m m e l b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c hr e s u l t s ，p r o p e rb o u n d a r yc o n d i t i o n s o fu n i q u e s o l u t i o na r e a n a l y z e da n dv e r i f i e db yn u m e r i c a le x p e r i m e n t sa c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h y s i c a lm o d e li na d d i t i o n ，t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s o ft h e u p p e rr e a c h e sa n dt h ev a l v ew e l lr e f l e c t i n gt h ec h a n g i n go ft h ew a t e rl e v e lt a k e p r i o r i t y o ft h ef o r m e rs y m m e t r i c a lb o u n d a r yc o n d i t i o n s i n f l u e n c eo ft h e f l o w a c c o r d i n gt ot h eb o d ys i z ea n dt h eg a pb e t w e e ng a t ea n dt h ed o o r h e a di sc o n s i d e r e d m o v i n gm e s h i n gt e c h n o l o g yi sa d o p t e dt os o l v et h em o v i n gb o u n d a r yw h e nt h ev a l v e r e v o l v e s u s i n gt h er e s u l t so fi n n e rf l o wf i e l dp a r a m e t e r ss u c ha sv e l o c i t ya n dp r e s s u r e ， c h a r a c t e r i s t i c so fi n n e rf l o wi nt h er e v e r s er a d i a lg a t et u n n e la r ea n a l y z e di nt h et w o d i m e n s i o n sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h er e v e r s er a d i a lg a t et u n n e lo f t h e t h r e eg o r g e s l o c k l a s tc h a m b e ras t u d yh a sb e e nm a d et os h o wt h ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e g a pa n dt h et o pt u n n e lw a l ld o w n s t r e a mt ot h eg a t e t h ee f f e c t so ft h ei n n e rf l o w sc a u s e db yt h er e v o l v e dv a l v eu n d e rd i f f e r e n t g a t e o p e n i n gv e l o c i t ya n de m e r g e n tc l o s i n go p e r a t i o na td i f f e r e n tg a t eo p e n i n ga r e ! 塑查兰竺! 兰丝堡兰 ! ! ! ! ! ! ! ! ： 一一 c o m p a r e da n da n a l y z e d t h ec o m p u t i n g r e s u l t sc o r r e s p o n dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t s b o t ht h er a t i o n a l i t yo ft h eg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n df e a s i b i l i t yo ft h en u m e r i c a l m e t h o da r ev a l i d a t e d t h e3 - dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h er e v e r s er a d i a lg a t et u n n e lo ft h et h r e e g o r g e sl o c k l a s tc h a m b e ra r ev e r yd i f f i c u l tb e c a u s et h ec o m p u t i n gw o r k s a r ev e r y g r c a ta tp r e s e n t ，m o s to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s f i r e1 - do r2 - di no r d e rt os t u d y t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e2 - da n d3 - dc o m p u t i n gr e s u l t s ，t h e3 - ds i m u l a t i o na r e m a d ea n df l o wo fd i f f e r e n ts e c t i o n sa r ea n n y z e da n dc o m p a r e d s h o w i n gf b a ft h e y a g r e e sw e l lb e s i d e sa l i t t l ed i f f e r e n c e t h e2 - ds i m u l a t i o nc a l lr e f l e c tt h e3 - d s i m u l a t i o nb a s i c a l l y ， k e yw o r d s ：t u r b u l e n tm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i n n e rf l o w ，c x m v e y a n c es y s t e m ， p e r m a n e n ts h i pl o c k ，t h r e eg o r g e sp r o j e c t ( t g p ) 【i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志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。 签名：趣过芝；日 本论文使用授权说明 期丝互：生弓 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：触翮签名：圣氅一一日期：趔 j 海大学母! l - 学位论文第一蕈绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 长江峡水利枢纽位j 二西陵峡中的三斗坪镇，枢纽由人坝、水电站厂房、通 航建筑物等组成。泄洪段位f 河床中部，通航建筑物均布置于左岸，永久船闸位 于坛子岭左侧，布置在危岸山脊与沟谷相问的凸岸缓坡地带，上游引航道口门位 于祠罐包左侧，卜i 游引航道1 门位于坝河口上游( 见图1 1 ) 。 图1 - 1长江三峡工程马瞰圈 甘酊世界上规模最大，水头最高的三峡永久船闸是三峡水利枢纽的t 要过坝 设施，其最大运行水头为1 1 3 米，比原世界上水头最高的船闸前苏联建造的 布赫明船闸整整高出4 5 米，为双线血级梯级船闸，两线船闸平行布置，中心线 相距9 4 米。两线船闸左右两侧为深切开挖的岩质高边坡，最大坡高1 7 5 米。 、 五、六闸首和一、四、五闸室采用上部重力式，下部薄砌衬墙式砼结构，其余闸 首、闸室和输水廊道均采用薄砌衬墙式结构。为减少扬压力，在谰首和六闸首 设置防渗与排水帷幕。在每线船闸底板的二条纵缝处，、设置有从一闸首贯穿至下 游辅导墙集水井的2 条纵向排水廊道，该廊道与布置于闸墙和基岩接触面 ：的格 式排水管相连。为拦截两线船闸两侧高边坡山体深部的渗流和地表水渗入岩体， 在两侧山体内各设置7 层排水隧洞，对边坡采用喷砂浆或砼保护面。除卜述布置 e 海大学硕j 学位论殳第一章绪论 外永久船闸上下游均设有导航墙和靠船墩，卜游从临时船闸有侧起修建将永久 船闸与升船机 = 引航道都包容的隔流堤，下游隔流堤【：从河道岸坡起f 至坝河口 上游4 5 0 米处。 永久船闸每线土体段由6 个闸首和5 个闸室组成，总长1 6 2 l 米。闸室有效 尺寸为2 8 0 米3 4 米5 0 米( 长宽闸坎上水深) ，其预i , l - 至, j 船闸设汁水平 年( 2 0 3 0 年) 单向过坝货运量将达到5 0 0 0 万吨。船闸充泄水系统采用正向进水， 通过前j 胃在两侧i i i 体及中隔墩内的主廊道与闸审支廊道相通，采用4 区段8 支廊 道顶部加消能盖扳的出水型式。在船闸运行过程中，上游水位变幅达4 0 米，下 游水位变幅达1 1 8 米，且船闸一次泄水量最大达到2 3 7 万市方米，一次充泄水 时间要求小j 二等丁1 2 分钟。 永久舟竹闸闸宅水体来自上游( 水库) ，通过t 廊道逐级下放，最后大部分排 入长江t 河床，少量水体由辅助输水廊道排入卜游航道。充泄水过程由输水廊道 的输水阀f j 控制。 输水系统是船闸的重要组成部分，主要由取泄水厂】、主廊道、史廊道及充泄 水阀门段组成。 i 峡永久| 闸采用了分散输水系统，其优点是口丁使水流分散且比较均匀地流 入闸室，扩散面积人，使闸室的充泄水顺畅，以达到船只平稳过闸的目的。其输 水系统的主要作用是当船只从卜游驶向下游时，首先将克水阀门打开，水流由取 水口将水从卜游经主廊道送到支廊道，再由h5 水l i 出流进入第一闸室，向第一闸 室充水，直到第一闸室水位上升到与上游水位一致时，打开第一闸首的人宁门， 让船只驶入闸室，然后关闭第。闸首人字门，打开泄水阀f ，水流通过支廊道流 入主廊道，经泄水阀门由泄水r 流出到第二闸窀，直罕第闸室水位f 降到与第 一闸室的水位齐平，打开第二闸首人字门，船只驶向第1 二闸室，依次进行，完成 船只过闸。肖船只由下游驶向上游时，则向闸室的充泄水过程与卜述步骤相反。 由输水系统的运行原理可知，充泄水阀门在整个输水过程巾起着控制作用， 而且阀门丌启关c j 频繁，阀门若出故障将直接影响船闸的运行，因此，保证f f j l | 门 安全运行足f 。分重要的。 当阀fj ) ：启时，高速水流在阀门底部边缘处发生分离，在阀门后而的输水廊 道内形成漩涡，在其向下游移动过程中，会发生合并，破裂。这些漩涡的发生发 。海大学硕士学位论文 第一普绪论 展过程使得阀门段输水廊道的流态随着时间的变化而变得非常复杂。同时在反弧 形阀厂j 开启过程中由于顶止水与门楣脱离，使得弧形门面板与门楣之间存在 窄缝，高速水流从这一窄缝中射出，从而使得门后的流态更为复杂。由于对这类 复杂流动的水动力学特性了解得不够深入，工程设计中缺乏可靠的科学依据，致 使弧形门面扳、f j 后的廊道及门楣缝隙处等部位容易出现空化、空蚀等破坏现象， 已运 j 二的为数，f i 少的船闸部发生过这类问题。 由船闸原型观测资料1 , 2 3 1 可知，葛洲坝一、。、i 号高水头船闸在阀门面板、 门楣、底缘处发现有空蚀麻坑的存在，在阀门运 j ：过程中，会产生轰鸣声。 而更为严重的如：美国约翰德船闸，由1 9 7 1 年5 月的原型观测发现，阀1 j 运行 时j 一生巨大的爆破噪占，阀门段振动引起上部结构振动、充水阀门面板弯曲， 并导致混凝t 块接缝l e 水损坏。美困的马克纳哩、冰港、下纪念碑等船闸的原 副观测表明，这些船闸也存在类似的u j 题 1 l , l g l 。1 9 8 4 年，前苏联第聂伯二线船 闸的泄水阀门在一次运行过程中发生故障，遭到严重的水击破坏使泄水阀门 面板利支臂撕裂，支铰和吊杆全郜断裂。 在i 峡永久船闸实际运行过程中，当关闭第五闸首人字门后，打丌第六闸首 输水阀门，将厄俐室水体经过输水廊道和旁侧泄水长廊道向长江主河床泄水，当 五闸宣水位与下游航道水位齐平时，开启人闸首人宁门。由模型试验可知，在此 运行过程中，当打开六闸首输水阀门开始输水后，在丈流量时( j f 度大于4 0 ) 彳i 允许进行六闸首输水阀门紧急关闭。 由于长江= 三峡永久船闸的下游与升船机共用引航道，考虑到升船机l f 常运行 情况卜l 对引航道水流条件的要求，船闸术级闸室采用长1 3 8 0 多米的旁侧廊道作 为主要泄水廊道( 见图1 2 ) ，将水泄入下游航道。旁侧泄水廊道加上泄水阀门前 廊道的总长1 6 0 0 多米，当发生故障，要求阀门紧急天闭时，可能会导致阀门段 出现较为恶劣的水力现象，致使阀门结构承受超常的水动力倚载，从而危及到阀 r j 的_ e 常运行和水工建筑物的安全性【2 0 。 为确保二峡船闸末级闸室的安全运转，需要对其阀门段输水廊道的非恒定水 流水动力学特性进行研究。为此，长江三峡通航管理局委托上海大学对六闸首输 水廊道的反弧形阀门在开启和紧急关闭时，廊道内的水流特性进行分析，为输水 阀门的运行和确保三峡船闸输水廊道的安全提供指导。 上海人学顺士学位l 立第一争绪论 摘盘蠹绩 45 圈1 - 2- 二峡船闸术级闸室旁测泄水廊道的布置图( 单位：米) 1 2 国内外研究进展 高水头船闸输水系统的水动力学问题，引起了国内外许多学者的关注，研究 方法主要有原型观测、物理模型试验和数值模拟等方法。 1 2 1 原型观测与物理模型试验 对f 高水头船闸输水系统运行过程中存在的空蚀、门振和声震等问题，在国 内，南京水利科学研究院、长江科学院等单位，对船闸水力学的问题进行了较全 面的研究，取得了一些成果h 固1 ；在困外，美国陆军工程兵团利用模型试验、原 型观测对船闸阀门水力学中的问题也进 j - 了多年的研究，取得了一定的成果 1 1 - 1 4 。 郑楚佩等 15 】对阀门面板与门楣之间的缝隙进行了切片模型试验研究，认为 在阀门开启过程中，由于弧形阀门面板和门楣之间形成的过水断面最窄处为2 5 毫米，形状如同文丘里管，所以在水头差的作用f ，形成强烈的漩滚区，在阀门 后产生负压，并伴随较大的压力脉动。认为由于缝隙流的强剪切作用导致了缝隙 空化，易产生空蚀。解决顶缝空化的途径有：采用抗空化性能较优的门楣体型或 应用通气办式来抑制顶缝空化，后者叮靠性较人且能在较大程度上减弱阀门底缘 空化，抑制“卢振”的发生。试验是在一陋定流条件下进行的，没有考虑实际情况 下水流瞬态变化的影响，切片模型也没反映反弧形阀门段的其它水流的影响。 美国的r i c h a r d g m e g e e 关于b a ys p r i n g 船闸原型观测的报告说明当阀门以 4 攀 叶f 叫嘲j 三n 歹1 科寨巍 上海人学硕上学他论史 第章绪论 2 1 9 秒和6 6 秒开启时，其仞生空化数分别为0 5 5 和o 6 4 ，后者比前肯增加了 1 65 l 】。从其报告中还叮以知道，前者出现轰鸣声，而后者仪出现一般的噪 声，由此可以看出阀门开肩时间的快慢对空化影响较大。 姜树海【4 在恒定流和非恒定流条件下对三峡船闸阔门的水力学特性进行了 比较，通过试验给出了恒定流和非恒定流条件下的反弧形阀门动水肩门力，见图 1 3 。由图u r 见恒定和非恒定条件下测得的启门力有较大的差距。 图1 - 3 二峡船闸输水阀门启门力随相对扦度变化过程 周华兴等t 2 ”依据二峡船闸( 中问渠道方案) 输水系统水力学模型试验结果， 分析了阀门在不同开启情况f 门后廊道顶部压力的变化情况，探讨阀门局部开启 时门后水流收缩系数，以及恒定流与非恒定流在水力特性方面的差异，提出了恒 定流和非恒定流的水流结构相吻合的开启时间。 胡哑安等【2 9 1 介绍了国内外首座船闸专用非恒定流减压试验1 发备，对船闸输 水阀门非恒定流减压试验方法进行了初步评估，由于恒定流条件下的减压试验， 无法模拟动水启闭过程的门后流态，因此采用非，随定流的减压模型试验方法，有 利f 复演运行工况下的真实流念，从而使试验条件更接近于原型实际。总结了非 恒定流减压试验的特点，并对恒定流与非恒定流的两种减压试验方法的差异进行 了初步分析和比较。 冈此，要想真实的反映阀门段水流的特性，解决现实存在的一些问题，必须 海凡学坝i 学位论文 熟章纬论 要考虑弧形阀门j 门楣之间缝隙水流的影响以及j e 恒定流埘船闸输水系统的影 响。 1 2 2 数值模拟研究现状 由于受计算机和数值方法的制约，对船闸输水系统的研究大多是采用模酗试 验的方法来进行。似模型试验费用较大，并n 从制作模i ! 到实验，所用的时问较 长，还受到测量技术与水平的限制，些重要的流动参数也无法直接得到。 随着计并机性能的提高和数值方法的迅速发展，数值模拟方法得剑厂广泛应 用。流场计算从一维别：维、恒定流到非恒定流、层流到湍流等取得了巨大进展。 数值模拟的t 要f t 务是计算流场的速度和压力，在此类水力学问题中一般可忽略 温度对水的影响，所以在数值模拟过程中，一般也不考虑能量守恒定律，而只考 虑流体运动的质量：了叶酉、动帚j ) 。叵定律。 郑楚佩【9 i 采用了流体恒定总流的伯努利方程对三峡船闸的输水系统进行了 一维数值模拟，给出厂流量与闸室水位随时间的变化过程，考虑了水流的惯性与 输水系统的阻力问题。 苑明顺、余了二牛 ”1 采用了弱可压缩性流体模型对三峡船闸( 中问级) 输水 阀门段的流场进行了二维数值模拟，并对非定常流动的流态特性进 j 了分析。其 中根据一维流动的能量方程计算出进r 断面的平均流速与出口断面的平均压力 作为一维数值模拟的进口与出口边界条件，门井内的计算边界为入流边界，其压 力可以根据f ；b r q 的水位算出。 苑哑珍 ”1 首先利用非恒定有j 矗流的水击方程对葛洲坝输水系统阀f j 段的水 流进行了一维数值模拟。采用的数值方法是特征线法，由于在一维模型中无法反 映阀门段水流的流速和压力脉动，所以利用一维数值模拟的结果作为边界条件， 采用大涡模拟的方法，对其进行了二维数值模拟，其中考虑了水流的弱压缩性的 影响，工作门井处的边界条件为静压分布。 张瑞凯2 0 。1 1 采用一维非恒定有压流数学模型计算了整个泄水系统阀f 后廊 道过流断面平均流速和压力的时空变化，再用二维弱叮压缩流体数学模型模拟了 阀门段水流流速和压力的变化。分析了三峡船闸未级闸片泄水廊道中的阀门在j f 常开启和因搴故关c j 过程中，阀门段的水流流态特性、阀门启门力和阀门段的空 化特性。 6 上海大学硕上学位沦立 第一章绪论 戴会超，王玲玲 2 3 】利用不可压缩的n s 方程和标准的k 一湍流模型，对三 峡永久船闸输水廊道阀门段冈阀fj 关闭引起的非恒定流场进行了二维数值模拟。 其中考虑了廊道体型对流场的影响，并且采用流体体积函数法模拟阀门片自由水 面的变化。 杨屹松”1 采用k 一湍流模式对二峡船闸阀门段的水流流动情况进行厂一维 数值摸拟，其中考虑了缝隙对水流的影响。计算结果给出了在弧形阀门相对开度 为0 6 时，阀门后恒定水流的流速与廊道壁面的压力分布。 谢省宗吲等刈三峡永久船闸输水反向弧形阀门的湍流场进行了研究。其中 采用恒定二维不可压缩n s 方程和标准k 一湍流模式，利用混合有限分析法和 s i m p l e r 计算方法，对阀fj j f ：度为0 3 和o 5 时的沿水平方向时均流速和雷诺剪 切应力进行了分析。在计算过程中网格利用分块耦合的方法，门井上表面按照对 称面来处理且考虑了阀f 体型的影响。 综上所述，对阀门段输水廊道内部流场所进行的数值模拟均为一维或二维数 值模拟。一类采用弱可压缩性流体模型对其进 j 二二维数值模拟，此方法须借助于 一维数值模拟的结果作为其边界条件，文献均没有考虑弧形阀门的体型对水流状 态的影响。而处理方法是将反弧形阀门简化成厚度为零的薄板，在阀门启动过程 中让嘲 杵同定不动，采用半# 十移边界条件来处理运动的反弧门面板这个动边界问 题。5 j _ 类文献采用，1 i 可k 缩的n s 方程和标准k s 湍流模式对其进行恒定或 护陋定流的二维数值模拟。其中在恒定流的数值模拟中虽然考虑了弧形阀门的体 型对水流状态的影响，但在阀门井内的计算边界采用刚盖假定，没有考虑到f i x - 内水流对廊道内部水流的影响：在非恒定流的数值模拟巾，以某个开度的恒定流 场作为初始流场，采用交错嘲格法来计算由阀门关闭引起的非恒定流场，并没有 真j f 实王见阀门随着时间开启和关闭的过程。 作者采用不叮压缩的雷诺平均n s 方程，对二峡永久船闸未级闸首阀门段 输水廊道的内部流场进行：维和三维数值模拟，其中除了考虑到弧形阀j 体型和 阀f j 与门楣之间的缝隙对水流的影响外，还在上游及阀门井的边界条件给定上考 虑了水位随阀门开度不刚而变化的问题，并且利用动网格的方法真正解决了阀门 随刊间转动的动边界问题。使用这两种方法对物理模型的网格质量要求非常高， 且时间步长的设置要比较小，这样必然使得汁算时问周期比较长，但利用此方法 淘人学硕士学位论殳第章绪论 会更加真实的实现对物理模型的数值模拟。作者相信随着计算机的发展，这两种 方法必将在类似问题上得到广泛应用。 1 3 本论文的主要工作 本文的主要工作是对三峡永久船闸输水廊道水动力学特性进行分析与研究， 具体包括以下几方面的研究内容： 一、根据阀门段输水廊道的内部水流流动特性，提出适合输水廊道内部流体 流动的数值求解方法。 二、对阀门段输水廊道水流特性进行_ 二维数值模拟。 在。定的水位组合条件f ，以三种不同的阀门，f 启速率和在不同丌度紧急关 闭阀fj 的条件下，对阀fj 段的流场进行模拟分析，并l j 实验结果进行对比，以探 讨不同的f 门速率和不同丌度紧急关闭阀门对输水廊道等水工建筑物可能带柬 的影响。 三、对阀门段输水廊道水流特性进行二维数值模拟。 由于计算i ：作量巨大，到目前为止对船闸输水廊道内部水流进行数值计算的 模型均采用维或二维模型。为了考奄三维模型和二维模型数值模拟结果的差 片，对- 峡永久船闸末级闸首阀f 段输水廊道的流场进行三维数值模拟，并与_ i 维数值模拟的结果进行比较。 海人学母：l 中位论文第一：帝基本理论及方法 第二章基本理论及方法 2 1 流体力学问题的研究方法筒述 流体力学是力学的一个分支，它是研究流体( 包括液体及气体) 这样一个连 续介质的宏观规律以及它与其他运动形态之间的相互作用。 流体力学的研究方法和物理学巾其他领域一样，白理 、i f - 算和实验三种， 这三种方法取长补短，相互促进，彼此影响。 理论研究方法的主要步骤是：( 1 ) 通过实验和观察对流体的物理性质及运动 的特性进行分析研究，抓住主要因素对流体或运动进行简化和近似，建皇合理的 理论模型。( 2 ) 对于上述理论模型建立流体运动舰律的封闭方程组以及与之相 应的初始条件和边界条件。( 3 ) 利用各种数学 具准确地或近似地解出方程组。 ( 4 ) 求出方程组的解答后，必需对它进行分析，揭示由解表示出来的物理量的 变化规律，并且将它和实验或观察资料进行比较，检验模型的正确性。其特点在 于科学的抽象( 近似) 从而能够利用数学方法求出理论结果，清晰地、普遍地、 揭示出物质运动的内在规律。缺点是数学e 的困难很大，能获得的分析解的数量 有限。 实验研究方法在流体力学中有着广泛的应用，它的主要特点在于它能在与所 研究的问题完全相同或大体相同的条件下进行观测。困此通过实验得出的结果一 般泌来是e 】丁靠的，但是实验方法往往要受模型尺寸的限制，此外还有边界影响， 相似准则不能全部满足等问题。 近年来出现了快速电子计算机并发展了一系列有效的近似计算方法，如有限 差分法、有限元法、有限基本解方法等等，使数值计算在流体力学研究方法中的 作用和地位不断提高，并已成为与理论分析，实验方法并列的具有同等重要意义 的研究方法。其优点是能够解决理论研究无法解决的复杂流动问题，和实验相比， 所需的费用和时间都比较少，而且有较高的精度：这种方法的局限性是要求对问 题的物理特性有足够的了解，从而能够提炼出较精确的数学方程。正是在这些方 面，实验方法和理论分析起到数值方法所不能起的作用。 理论、计算和实验这二种方法各有利弊，相互促进。实验用来检验理论结果 和计算结果的正确性与可靠件，并提供建办运动规律及理论模型的依拒，这样的 海人学硕t 学位论文 第一幸墙奉理论搜方法 作用i 管理论和计算发展得多么完善都足不【l ，代替的。而理论则能指导实验和计 算，使它进 _ j 二得富于成效，并且可以把部分实验结果推广到- 整类没有做过实验 的现象中去。汁算可以弥补理论和实验的不足，对一系列复杂流动进行既快又省 的研究 作1 2 5 。 特别是随着高速电子计算机的问世后，2 0f l 纪中叶出现的研究流体运动规 律的计算流体动力学应运而生，大大充实了流体力学的研究内容和扩大了它的研 究与应_ l f j 领域。 2 2 计算流体动力学概述 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 的数值计算和图像显示，对包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【2 4 】。 2 2 1 计算流体动力学的工作步骤 c f d 足用离散代数的形式代皆控制方程中的积分或微分项，在时间、空间 的离敞点 二获得流场数值解的一种方法。因此，c f d 使得我们研究流体运动的 范围年n 能力都有了本质的扩大和提高，一个完整的c f d 的研究过程通常包括卜- 面的步骤： 第 ，流动区域的几何描述和问题的界定。在数值分析前，应先明确要解决 的问题中流场的儿何形状、流动条件和数值模拟的要求。流动条件可以包括流动 的雷诺数、马赫数、边界处的速度、压力等；数值模拟的要求包括数值模拟的精 度、所花费的时间和所感兴趣的流动参数等。 第二，拧制方程和边界条件的选定。一般认为，在牛顿流体范围内，所有的 重要流动现象都可以用n a v i e r - s t o k e s 方程来描述。但是，为了提高计算的效率， 在保b e 能保留流动的物理本质的前提下，常选用经过简化的数学模型，如势流方 程、e u l e r 方程、边界层方程和薄层近似的n s 方程等。另外根据研究问题的特 点，可以考虑恒定或j 计百定、可压或不可压的流动模型。对于湍流流动，虽然 n s 方程可以描述，但是直接采用原始的n s 方程计算湍流流动要求网格点的数 量非常多，因而计算量非常大，目前还仅限于一些简单的流动问题。因此，人们 通常采用雷诺平均n s 方程和某种湍流模式来组成求解问题的控制方程组。 1 0 逝人学倾上学位论正 第二章基本理论及方 去 第一，网格划分策略和数值方法的选择。住c f d 中，网格的类型有结构网 格、非结构网格、混合网格、重叠网格等。网格可以是静止的，也可以是运动的 ( 动网格) ，还叮能根据数值解动态调整( 自适心网格) 。c f d 中的数值方法有 有限差分、有限体秘、有限元、谱方法等。数值方法和网格划分的策略足相互关 联的。例如，如果采用有限差分方法，常选用结构化网格；而有限体积方法和仃 限无方法则可以适应于结构和非结构刚格。 第四数值结果和方法的解释与评价。将计算得到的数值解进行综合的评估 足c f d 中非常币要的环节，习惯称为后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 过程。通过后处 理叮以显示感兴趣的物理量的等值线或欠最图，计算力或力矩，估算数值方法 或物耻模型的误筹等。 2 2 2 计算流体动力学的应用范围 近十多年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计 算法和图解法；过去的一l i j 典型实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借助c f d 手段任计算机l 实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几 乎都呵以通过c f d 的力+ 法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究工具，而且 作为设计f ：具在航宅航天、汽车、能源动力、水利工程、化工、船舶、工业加工 等许多领域得到了广泛应用。 c f d 计算程序从原来的一维、二维，向三维方向发展，程序的控制方程也 从基于全位势方程、e u l e r 方程和边界层方程，向基于雷诺平均的n s 方程方向 发展。近年来，大涡模拟和卣接数值模拟方法也得到了迅速的发展。随若计算机 技术和数值方法的发展，计算流体运动的商业c f d 软件不断涌现，如f l u e n t 、 p h o e n i c s 、c f x 和s t a r c d 等，这为c f d 更加广泛的工程应用提供基础。 2 3 基本方程 流体试验表明，当雷诺数小于某。i 临界值时，流动足平滑的，相邻的流体层 彼此有序地流动，这种流动称作层流；当雷诺数人丁二临界值时，会出现一系列复 杂的变化，最终导致流动特征的本质变化，流动呈无序的混乱状态，这时，即使 是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特征都随机变化，这种状 态称为湍流。 上海九学硕j 学位论殳第二章旗奉理论殷方法 2 3 1n s 方程 流体的运动虽然1 f 常复杂，但都满足质巷守恒、动量守恒干 晴e 量守恒的舰律。 在牛顿流体范围内，这些规律可以用n a v i e r - s t o k e s 方程描述( 简称n s 方程) 。 在此考虑不可压缩流动，其瞬时控制方程如下： 连续- 阽方程 动量方程 塑：o 眦 ( 2 1 ) 鼽) + 毒( 酬2 每鲁+ f 沼z ， 其中，为流体的密度， 坼为i 方向的速度，p 是静压，f 为外部体积力 源项，7 口足心力张最。根据广义牛顿公式t 应力张黾0 可表示为： 铲睁面6 3 u j 协s ， 其中，“为分了粘性系数。 2 3 2 雷诺平均胪s 方程 虽然n s 方程i j 丁用于描写湍流，而n s 方程组的非线性使得用解析的方法 精确描写湍流的三维相关的全部细节变得极端困难，即使能真正得到这些细节， 对r 解决实际工程也没有太大的意义。从= 程应用的观点看，人们关心的是湍流 所引起的平均流场的变化，是整体的效果。这坞情况决定了对湍流的研究主要采 用统计的、平均的方法。雷诺平均法就是将瞬态的n s 方程对时间作平均，得 出关于时均物理量的控制方_ f 旱。对任意变量m ，其时间平均值定义为： 石( 孙列) = 上z x t 厂( f ( 2 4 ) 这里，上标“一”代表对时删的平均值。可以把物理最的瞬时值分解为时 均值和脉动值之和，叩= + 。 用平均值与脉动值之和代替瞬时流动变量，即。= 五+ “；，p = i p + p7 ，并代 入瞬时状态下的连终| 生方程( 2 1 ) 和动量方程( 2 2 ) ，并对时间取平均，整理 后得雷诺时均n s 方程：( r e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e s ，简称r a n s 方程】 卜海大学硕士学位论文 第帝基牟理论技方法 尘坠：o m ( 2 5 ) 昙( 面。) + 毒( 厩云垆f 一瓦o p + 等+ 毒( 一p 弼) c z 射 式中，矗【誊+ 筹j ，可以看虬r a n s 方程里多出与一p 瓦有关的 项，一尸弭形式上起判j i 一样的作用，亦即是种应力作用。将一p 孺称为 雷潇应力，亦称为湍流应力。雷诺应力来源于刈流惯性项，说明其物理意义是反 应湍流脉动所引起的平均动黾交换，而动量交换就意味着力的作用，因此习惯 = 将其作为一种附加力末考虑。 对于雷诺应力项的处理，i t s i a , b o u s s i n e s q 涡粘性假设： 一p - - ( o u i 一+ 针弘 沼， 其中，是湍流耕i 性系数，= 昙谣为湍动能。 2 4 湍流模型 山e 述的讨论知道，采用湍流粘性系数法来数值馍拟湍流，其关键在于如何 确定湍流粘性系数“。t ，是空间慢标的函数，与流动的状态密切相关，其区别 于物性参数。根据确定“所包含的偏微分方程的数目“r 分为零方程模型、一 方程模型和两方程模型等。零方程模型和一方程模型一般只能用于简单的流场， 王见在较多的采用两方程模型，其中最具代表性的当首推k f 模型，因其简单， 收敛速度快且有一定精度而被成功广泛地应用于各类 程问题中。 日前已发展出了多种形式的k s 模型，如为了克服各向同性湍流粘性假设 的缺点，发展出了非线性的k 一占模型，r n g k s 模型，多尺度女一e 模型，可实 现的k 一模型以及非线性的r n g k s 模型等。下面仅就标准的k s 模型作一 介绍。 在两方程模型中，根据r o d i i 扎1 的建议，一般选用s 作为变量来确定湍流的 艮度标尺f ，这便r 近壁面湍流的处理。标准的k g 模型可表示为： 型型塑坠堡邀些 跏+ 舡+ 争别刊一， 江 知+ 寿卜吨+ 外p 却q ， 协。， 楚中，“= p 巳譬，n 为湍动能的生成项，由f 式确定： r 。告c 考+ 鲁，等 。纠。， 而巴、巳、吒g 和g 为湍流模型系数，可分别取值为o 0 9 、1 ，o 、】3 、1 4 4 和，1 9 ，2 口这样，方程( 2 - 5 ) 、 ( 2 6 ) 、 ( 2 8 ) 和( 2 9 ) 构成了封闭的j 线性 方程组。 。 2 5 壁面函数法 由于七一占模型为高雷诺数模型，适用f 离开壁面一定距离的湍流区域。在 高雷诺数模型区域，分了粘性系数相对于揣流粘性系数h 可以忽略不计；而 在与壁丽相邻近的粘性底层中，湍流霄诺数很低，这瞿必须考虑分子粘性的影响。 大量的试验表明，湍流近壁面区域可以分成i 层区域：粘性底层、过渡区和 对数区( 充分发展的湍流区) ，参见图2 1 。 图2 - 1 近壁区的分f x 陶中无量纲参数“和少+ 分别为： 4 海太学硒! 十学位论虹第二章基本理论厦方法 u = “u ，+ 2 了p ua y 竺v 括pv ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 她蹴惴姗胁，删摩擦撕，= 居 糨蝴 a y 为笫个节点离开壁面的距离。 与y + 5 时，此区域为粘性底层，可认为速度沿着壁面法向呈线性分布，即 “= y 1 15 y 6 0 时，对应区域为过渡区。 ( 2 1 3 ) 半6 0 v + 3 0 0 时，此区域为速度对数律区，这时速度沿壁面法向方向呈对 数律分旬，即： “，：旦：土1 n f 盥1 + b ：三i n _ y + + b ( 2 “) “， 芷 v r 其巾，茁为v o n k a r m a n 常数，芷= 0 4 o 4 2 ，b 为与表面粗糙度有关的常 数，b = 5 0 5 一。 通常，近壁而区域建模可通过壁面函数或近壁医的低雷诺数湍流模型这两种 方法来实现。图2 2 为这两种方法的网格分布情况对比。 r- _ j 咒 圭 r 图2 - 2 近壁i x 两种处理方法的对比 图中，左侧为低雷诺数湍流模型，右图为壁面函数。可见，若选用低雷诺数 模型时，需要在粘性底层中布置比较多的节点；而壁面函数法则是把与壁面相邻 苎尘生塑些堡兰 兰! 茎查堡笙丝查垄 的第一个节点布置在旺盛