小流量自由跌水長(zhǎng)度及消能研究.pdf

1、自由跌水是幾何結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單但是流態(tài)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，其為帶自由表面的水氣兩相流。這種流動(dòng)問題一直是研究的熱點(diǎn)。本文首先簡(jiǎn)單介紹跌水的構(gòu)造，在了解跌水研究背景的基礎(chǔ)上，回顧了國(guó)內(nèi)外在公式、試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面的研究現(xiàn)狀。再利用亞克力板制作不同尺寸的水槽，組成本次試驗(yàn)的模型。進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)，在不同的跌坎高度下，進(jìn)行囊括多種不同流量的多組試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)的全面性、合理性。并且現(xiàn)在水力學(xué)公式多為經(jīng)驗(yàn)公式，本文在總結(jié)前人利用公式來計(jì)算跌水長(zhǎng)度的研究成

2、果基礎(chǔ)上進(jìn)行公式推導(dǎo)，提出一種快速、便捷地計(jì)算跌水長(zhǎng)度的公式，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。最后本文就跌水消能問題利用FLUENT軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上開展一系列的研究。
　　（1）按照拋體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自由跌水長(zhǎng)度公式的推導(dǎo)。即跌水長(zhǎng)度L=A7K/5√2qH/α，其中A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值1.5～1.6；K為空氣阻力系數(shù)，取K=1；α為動(dòng)能校正系數(shù)，取α=1；q為單寬流量；H為跌坎高度。
　?。?）采用VOF方法來處理水和氣體的交界面

3、以及利用其與k-ε雙方程模型相結(jié)合的方式來進(jìn)行自由的跌水的三維數(shù)值模擬能夠得到非常好的效果，與實(shí)際情況較吻合。
　?。?）通過分析模擬結(jié)果中流態(tài)分布、渠道上下游壓力分布、流速分布以及流線分布來判斷采用此種數(shù)值模擬方法是非?？煽康?。
　?。?）將公式計(jì)算所得的跌水長(zhǎng)度、模型試驗(yàn)所得結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果三者進(jìn)行對(duì)比分析。由對(duì)比結(jié)果可知，公式計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果非常接近，數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)研究的誤差值分別為17.6％、22.4

4、%、14.6%。根據(jù)前人在數(shù)值模擬方面的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際試驗(yàn)條件，此誤差值在可以接受的范圍內(nèi)。所以該公式可以運(yùn)用于實(shí)際工程。
　?。?）為使底板以及兩岸減小沖刷，在下游設(shè)置一定高度的消力墻以提高消能率。本文在下游適當(dāng)位置設(shè)置不同高度的消力墻，結(jié)合數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果中的臨底流速與動(dòng)水壓力來選出最優(yōu)的消力墻高度。就本文的模型而言，選擇3cm高的消力墻時(shí)，綜合跌坎后底板與消力墻后底板的臨底流速值以及最大動(dòng)水壓力值為綜合考慮最優(yōu)情況，為今后實(shí)