带自由表面快滤池进水渠道三维紊流场数值模拟优化论文

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1、江苏大学工程硕士学位毕业论文摘要带自由表面的流动广泛存在自然环境中，尤其是在水利工程中，因此这类流动一直是研究的热点和难点。自来水厂快滤池进水渠道内流动就明显具有自由表面的流动问题，同时还涉及到跌水消能问题和流量分配等问题。本文利用商用流体计算软件CFX，对带自由表面的快滤池进水渠道内三维紊流场进行了数值模拟，并在此基础上展开了一系列的工程研究，主要研究了镇江市金西水厂快滤池l号池进水量小的工程问题，并提出加堰板的解决方案，通过数值方法实现了自来水厂快滤池进水渠道的优化开发。本文的主要研究内容有：(1)较全面系统地总结了带自由表面流动的研究现状和进展情况。(2)归纳了现有计算紊流流动的数学

2、模型，并对比分析了目前处理自由表面的各种方法。然后简单介绍了商用流体计算软件CFX，重点介绍了CFX软件计算自由表面的均相流自由表面模型。(3)对快滤池进水渠道的问题进行了数学描述，并建立了相应的三维几何模型，利用ICEM软件进行结构化网格划分，合理地设置边界条件和初始化条件，采用标准的抽紊流模型和均相流自由表面模型对快滤池进水渠道内的流动进行了数值模拟。(4)重点分析了带自由表面的快滤池进水渠道内的流动情况，探讨了快滤池l号进水池进水量小的原因，并把计算得到的结果与现场试验测量的结果进行了对比，对比结果验证了数值模拟的准确性和可靠性。通过数值模拟结果发现：受到渡槽后阶跌水的影响，水气复杂

3、的自由表面在渡槽后阶相当紊乱，并且含气率较高的水已经延伸到快滤池l号进水池的进水口，这使得快滤池l号进水池断面上，在进水渠道内的速度明显比其他断面的速度较大，且呈现“U一型分布，而在进水口内的速度则明显比其他进水口的速度小得多，因此快滤池1号进水池进水量较小。(5)对快滤池进水渠道进行了数值优化，采用加堰板的方法改善快滤池各进水池的流量分配问题。利用拟水平法采用标准正交表对堰板的高度、宽度和距l号进水池距离三个因素进行试验模拟，获得最佳的改造方案。通过数值优化结果发现：添加堰板明显起到了挡水作用，而且水流在堰板前形成水跃，有利于消能；挡板使l号进水管内的流速明显提高了，且死水区变小，而在第

4、一个断面处进水带自由表面的快滤池进水渠道三维紊流场数值模拟优化渠道内的速度U型分布不再明显，速度在同一水位高下分布区域平缓，中间速度低两端速度高也得到明显改善，各个进水池断面速度分布基本趋于一致；添加堰板后使1号池进水口附近的最高紊动能消弱，而紊动耗散率则明显变大和变宽，虽然流动紊动性仍比较强，但是能量的耗散快，使得下游的流动比较稳定，利于各池流量分配，因此添加堰板后改善效果比较显著。关键词：自由表面均相流模型快滤池进水渠道自由跌水渡槽CFXU江苏大学工程硕士学位毕业论文ABSTRACTFlow、^，itllfreesurfaceisabasicphenomenoninthehydraul

5、icengineering，SOitisahotanddifficultresearch．neflowinthewaterchannelofrapidfilterbelongstosuchflow砸tlltheproblemoffreesurface，alsorelatetoproblemsofenergydissipationandflowdistribution．UsingcommercialfluidsimulationsoftwareCFX，theflowfield、航t11afreesurfaceinthewaterchannelWasnumericallysimulatedan

6、daseriesofengineeringstudieswerecarriedout．TheengineeringproblemthatNo．1waterpoolofrapidfilterhadlittleflowrateWasmainlystuydiedandthesolutionsofpulsingweirplatewereoptimizedbynumericalsimulation．Themaincontentsareshownasfollows：(1)111eresearchstatusandprogressoffreesurfaceflowweresummarizedcompre

7、hensivelyandsystematically．(2)Summarizingtheexistingmathematicalmodelofcalculatingtheturbulentflowandcomparativeanalysisofvarietyofmethodstostudythefreesurface．AndthenthecommercialfluidsimulationsoftwareCFXwasbri