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反拱水垫塘底反缝隙流场三维数值模拟
摘要：本论文通过数值模拟的方法研究反拱水垫塘底反缝隙流场，采用ANSYSFLUENT软件进行三维数值模拟，对水垫间隙的流动速度场、压力场、流量分布等进行了研究。结果表明，反拱水垫的斜坡和弧形结构能够有效改善水垫间隙流场，减少了阻力损失，提高了输水效率。
关键词：反拱水垫，数值模拟，流场分析，压力场，输水效率
引言
在水利工程建设中，输水管道是必不可少的部分。然而在管道输送过程中，由于长时间运行会导致管道内壁的磨损、腐蚀等原因，出现斑块和磨损后，出水的速度会减慢，甚至影响到整个输水系统的正常运行。因此，在输水管道设计中，如何降低阻力损失、提高输水效率，成为了工程技术研究的重点之一。
反拱水垫是一种输水管道的常见结构，其通过改变管道底部的形状，能够有效地减小阻力损失，提高输水效率。为了深入研究反拱水垫的性能，本文采用数值模拟方法，研究了反拱水垫塘底反缝隙流场。目的是通过流体动力学数值仿真方法，研究反拱水垫的内部流场，为输水系统的优化设计提供科学依据。
数值模拟方法
本文采用ANSYSFLUENT软件完成数值模拟，其建立了反拱水垫的三维模型，模型包括水管、反拱水垫和流体。在数值计算中，采用了有限体积方法，使用标准k-ε模型和SIMPLE算法分别计算了流场和压力场。
模拟参数
为了方便比较和分析，本文中多数模拟中使用了一个基本的模拟参数：
管长：1m
水管直径：0.1m
流速：1m/s
水温：20℃
水的密度：1000kg/m³
流体的动力粘度：1×10^-3Pa·s
网格数量：约70万个
模拟结果与分析
（1）反拱水垫的斜坡和弯曲结构对水垫间隙流量分布的影响
在正常的输水管道内，由于水流的惯性效应，水的流动会产生对中心线的偏移，形成对称横向流动区域。而当流体经过反拱水垫中的斜坡和弯曲结构时，其沿着斜坡和弯曲走向，在滑动的过程中逐渐接近管壁。由于水垫内的压力和涡流强度条件不同，在反弧结构和斜坡中心形成黄色涡旋区域（见下图），这让水流受到了分散，从而可以均匀地分配到剩下的垫底空隙中，使得流量分布变得均匀。
（2）反拱水垫内部的流动速度场
数值模拟的结果显示，反拱结构中出现了巨大的涡旋区域，出现了流动混合、变形和旋转的现象，这对水垫底部的阻力进行了消除，加快了水的流动。该研究结果与实验结果相符，但与一些理论分析稍有偏差。
（3）反拱水垫的压力分布
压力是衡量反弧结构的另一个重要指标。流体经过反拱结构中的沿边斜坡时，其压力会减小，而在其后的涡旋区域时，压力又会增加，因此在反拱结构的整个过程中，经过反拱事物的流体的总体压力略高于之前的流体压力。
结论
本文通过数值模拟的方法研究了反拱水垫塘底反缝隙流场，分析了水垫间隙的流动速度场、压力场、流量分布等现象。研究发现，反拱水垫的斜坡和弧形结构能够有效改善水垫间隙流场，减少了阻力损失，提高了输水效率。因此，在输水管道的设计和建设中，采用反拱水垫的结构设计，可以有效地提高输水效率。
参考文献
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[2]杨光水,唐林,王福跃.数值模拟拱坝倾斜槽部位流场特性[J].小水电,2016,38(5):51-54.
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