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原文传递船闸分散输水系统多孔壁面射流掺混特性数值模拟研究

论文题名：	船闸分散输水系统多孔壁面射流掺混特性数值模拟研究
关键词：	内河船闸;分散输水系统;多孔壁面射流;掺混特性
摘要：	船闸是内河水运交通中不可分割的一部分，是实现河流渠化的通航建筑主要型式之一。而输水系统是控制船闸可靠和高效运行的关键，其设计水平的高低直接影响到船闸建设的成败。分散输水系统多孔壁面射流是船闸中常见的水动力学问题，其掺混特性的研究对船舶停泊安全有着重要意义。然而船闸分散输水系统型多孔壁面射流不仅仅需要考虑三维壁面射流的情况，还要考虑更加复杂的边界条件。目前关于分散式输水系统中多孔壁面射流间以及射流同环境水体的掺混作用的相关研究成果还较少。为探明其掺混特性，本文利用FLUENT软件建立了单孔以及并行双孔的三维壁面射流数学模型，并根据国家自然科学基金项目(51509027)中的物理模型实验结果最终确定采用RSM紊流模型及IPSO算法等进行数值模拟计算。通过对主要流动范围内面积紊动强度和射流对称面径向速度沿程分布两方面对射流掺混特性进行研究，得出主要成果及结论如下: 　　1.基于紊动强度的概念，本文提出了面积紊动强度IA的概念，定义为脉动流速均方根与时均速度在整个平面内的比值。　　2.研究发现径孔比（径向距离与孔间距的比值）对闸室掺混有着重要意义，具体如下: 　　(1)当径孔比D/d≥20时，汇聚区极短，两股射流在入射初始很快就形成单股射流，随后继续沿程发展。双孔射流对称面径向速度分布特性以及其面积紊动强度IA在展向和径向的分布均与相应单孔条件时具有显著的相似性，且这种相似性随着径孔比的增大愈加强烈。而双孔射流与水体的掺混作用反而比相应单孔射流条件时弱。　　(2)当径孔比10＜D/d＜20时，双孔射流的汇聚区很短，两股射流间在联合前的掺混作用弱。在入射初始时，射流对称面径向速度分布呈近乎平行于壁面的直线状，速度沿程逐渐增大，随后呈现出单孔射流时对称面径向速度沿程分布趋势。随着径孔比的减小，径向面积紊动强度IA发展趋势变陡，而面积紊动强度IA在展向的分布由“V”状逐渐过渡到“W”状。　　(3)当孔径比4≤D/d≤10时，经过一定的发展后，射流对称面径向速度分布才呈现出单孔射流的速度沿程分布特性。且随径孔比的减小，开始呈现单孔射流速度分布特性的特征位置向射流方向移动，即双孔射流间相互掺混区域延长，径向和展向掺混强度均加强，此时展向面积紊动强度IA分布呈“W”状。　　(4)当径孔比D/d＜4时，双孔射流并没有形成联合，而是各自沿程充分发展，分别呈现出强烈的单孔射流时的流动特性。随着径孔比的减小，这种特性越强烈。此时，两股射流与环境水体间掺混作用强烈，而射流间掺混作用相对而言较小。展向面积紊动强度IA在各射孔中心分别呈现出典型的单孔射流展向紊动分布状态——“V”状，而在两射流间呈现“M”状。而随着径孔比的减小，径向面积紊动强度IA逐渐增大。　　3.从船舶停泊安全和闸室消能效果两方面考虑，建议船闸闸室径孔比宜在4≤D/d≤10的范围内。
作者：	陶园园
专业：	水利工程
导师：	陈明栋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文