自動滾筒閘門水力學(xué)特性的試驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、我國北方是水資源嚴重短缺的地區(qū)，但對于現(xiàn)有的水資源，有些卻不能得到合理利用，如洪水資源中的多泥沙和高含沙洪水在利用過程中存在著一系列難題。對閘前有泥沙淤積時能自動啟閉的新型水力自動滾筒閘門的研究，使得利用這部分洪水資源成為可能。通過水工模型試驗，證明新型水力自動滾筒閘門的設(shè)想是可行的，可以保證在閘前有泥沙淤積時，閘門在水壓力作用下開啟自如。為了正確進行閘門設(shè)計，必須對作用在閘門體上的水壓力進行準確地計算。閘門開啟前閘體上的靜水壓力計算，

2、毋庸置言容易解決。但閘門開啟后作用在閘體上的動水壓力的計算，目前尚無現(xiàn)成公式可利用。 本文采用模型試驗、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，對水流中橫置圓筒閘體上的動水壓力分布規(guī)律進行研究。主要研究內(nèi)容如下：（1）通過水工模型試驗，研究了在上游水位變化和不同筒下開度工況下，圓筒表面動水壓力時均值、脈動值的變化規(guī)律。（2）以物理模型為依據(jù)進行數(shù)學(xué)建模，采用數(shù)值模擬方法對水流中橫置圓筒的水力學(xué)特性進行了深入研究。通過各模型的對比分析，本

3、文最終采用RNG K—ε湍流模型和水氣兩相流VOF模型，對橫置圓筒繞流流場進行了數(shù)值模擬。（3）采用數(shù)值模擬對現(xiàn)有條件物理模型無法完成的工況進行數(shù)值模擬，研究了筒下開度（h）、筒頂水深（hl）、上游水深（H）、筒徑（R）對繞流流場速度、流線、壓力變化及其圓筒表面速度和動水壓力變化的影響。物理模型試驗所得主要結(jié)論：（1）沿迎水面從圓筒頂部至底部動水壓力呈先增大后減小趨勢，筒上、下均過水時，在圓筒中心線以下，即φ= 135°附近水壓力值達到

4、最大，圓筒頂部（φ＝0°）及底部（φ＝180°）動水壓力值較小，且底部動水壓力值略小于頂部值。（2）簡下開度h一定，圓筒迎水面動水壓力隨閘上游水深H的升高而增大。當閘上游水深H一定，筒下開度h變化時，圓筒迎水面動水壓力在圓筒頂部至中心線范圍內(nèi)（0<φ<90°）沒有明顯的變化，而在圓筒中心線以下（90°< φ<180°）動水壓力沿圓筒表面自上而下隨h的增加而減小，該變化趨勢在φ=135°附近表現(xiàn)較明顯。（3）迎水面各點壓力脈動主頻為f=5

5、0Hz左右，圓筒頂部（φ=0°）的脈動幅值最大，（φ=45°）處脈動幅值最小，在90°<φ<180°范圍內(nèi)，沿圓筒表面向下主頻幅值逐漸增大。數(shù)值模擬所得主要結(jié)論：（1）圓筒迎水面中心線（φ=90°）附近，流速較小，圓筒上、下方流速較大，中心線國家自然科學(xué)基金項目（50669001）資助以上各點流速隨著筒頂水深（hl）的增加而增大，中心線以下各點流速變化較小。圓筒背水面中心線以上各點流速隨著hl的增加逐漸增大，而中心線以下區(qū)域流速變化梯度

6、較大，并且速度變化較復(fù)雜；圓筒背水面流速大于迎水面流速。（2）圓筒迎水面動水壓力隨上游水深H的升高由筒頂向下逐漸增大，φ=135°附近達到最大，繼而迅速減小，在圓筒底部降到最小，并形成負壓區(qū)。圓筒背水面，中心線偏上部分壓力值較小，沿圓筒壁面向筒底方向呈先增大后減小趨勢，且變化梯度由小到大。（3）筒下開度h、筒頂水深hl一定，迎水面各點壓力與R成正比，在圓筒背水面220°<φ<260°區(qū)域，圓筒表面動水壓力與筒徑R成反比。（4）通過對水工