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水利工程天然水體自由水面模擬
簡介: 水力數(shù)值模擬的專題之——自由水面模擬;)歡迎大家轉(zhuǎn)載!
關(guān)鍵字:水利 天然水體 自由水面 模擬
我們認(rèn)為利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算, VOF模型在水利工程天然水體自由水面模擬中的推廣應(yīng)用是有很大前景的,對(duì)于一般性的中小工程,VOF模型基本上可以代替水工模型實(shí)驗(yàn),可以演算不同工況的水力計(jì)算;對(duì)于重要和大型工程,利用VOF模型和水工模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,可以減小實(shí)驗(yàn)周期,降低實(shí)驗(yàn)成本,并且數(shù)字模型和水工模型互相對(duì)照,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀有效。
同時(shí)我們也應(yīng)該看到,由于實(shí)際工程中的邊界條件較為復(fù)雜,VOF模型的模擬中邊界條件必須準(zhǔn)確可靠,使其盡可能的符合實(shí)際工程的邊界條,以達(dá)到最優(yōu)的計(jì)算效果。
本文以作者參與的幾個(gè)工程實(shí)例為契子,拋磚引玉的介紹VOF模型在水利工程中的自由水面模擬計(jì)算。
一, 排水連接井。
工程介紹:這是一個(gè)海邊火電廠的排水建筑物,為充分摻氣將溢流堰做成與水流方向斜交30度角,連接井進(jìn)口尺寸為2X2.8X2.8(單位:米,以下同),出口尺寸為3.5X4.5,溢流堰采用WES剖面,堰頂水頭0.50m,設(shè)計(jì)流量為24m3/S,采用VOF計(jì)算模擬如下:
連接井結(jié)構(gòu)圖(圖1.1)
連接井自由水面及流場矢量圖(圖1.2)
連接井自由水面及剖面圖(圖1.3)
連接井自由水面局部(圖1.4)
圖1.1是連接井的三維結(jié)構(gòu)示意圖,簡化起見,沒有表示出構(gòu)筑物的尺寸,我們可以看出這個(gè)連接井是進(jìn)口高,出口低,中間有一個(gè)斜交的溢流堰將其分成兩部分(在1.3圖可以明顯看出剖面中的溢流堰形狀)。
圖1.2是連接井的自由水面及流場矢量圖,其中水相和氣相的流場都非常清晰,而在溢流堰附近發(fā)生明顯的紊動(dòng)流態(tài)。
圖1.3、1.4的可以看出由于高差的存在,水流攜帶氣流混合進(jìn)入水相的深層。
本模型可作為判斷摻氣情況、是否發(fā)生氣蝕的參考,同時(shí),由于本連接井是位于地面下的封閉結(jié)構(gòu),該模型計(jì)算可以定量分析所需通氣量的大小,這個(gè)是其他任何試驗(yàn)?zāi)P蜔o法比擬的。
二、泄洪洞泄洪水力模擬(二維)
工程介紹:某水力電站的泄洪洞,由于利用前期導(dǎo)流洞,做成一個(gè)“龍?zhí)ь^”的泄洪洞形式,泄洪流量為1500個(gè)流量以上,洞口高程51m(相對(duì)出口高程,以下同),塔頂高程113m,堰面為WES剖面,堰頂高程53m,出口為自由出流。
泄洪洞縱剖面圖(圖2.1)
泄洪洞無壓流自由水面(圖2.2)
泄洪洞無壓流壓力分布(圖2.3)
從圖2.2、2.3可以看出,“龍?zhí)ь^”泄洪洞在無壓流情況下類似堰面流,在這種情況下,堰頂?shù)牧魉俅?,壓?qiáng)小,尤其是在槽下游位置,極易發(fā)生氣蝕。請注意一點(diǎn),隧洞是否有壓還是無壓流并不由程序自動(dòng)判斷,隧洞泄洪流態(tài)判斷本身就是一個(gè)比較難的課題,判斷隧洞是有壓流還是無壓還需根據(jù)相關(guān)的規(guī)范及水力學(xué)公式計(jì)算后確定,因?yàn)槟P偷纳舷掠芜吔鐥l件必須根據(jù)實(shí)際情況由軟件的使用者判斷輸入,下面作者就僅僅改動(dòng)下游邊界條件為OUTFLOW后的情況做一模擬:
泄洪洞有壓流自由水面(圖2.4)
下游邊界條件改變后水位很快上升到槽中,隧洞也由無壓流變?yōu)橛袎毫?,由此可見,邊界條件的確定是很重要的。
三維泄洪洞泄洪水力模擬與二維模型大體一致,需要說明的是三維模擬的收斂條件更苛刻,計(jì)算所耗費(fèi)時(shí)間將更長。
三、普通水閘泄流三維模擬。
水閘過流是最常見的一種低水頭,高流量的水力現(xiàn)象,上游多為堰面溢流,下游為多為淹沒出流。本工程為一低水頭重力式水閘,上游堰頂高程6m(相對(duì)下游河床標(biāo)高),下游挑流鼻坎標(biāo)高2m,閘室寬度6m,現(xiàn)模擬水閘蓄水后全開的工況,堰頂水頭為6m,為模擬多個(gè)閘室聯(lián)合泄流,將模型的上下游邊壁設(shè)定為Axis-boundary(圖中綠色細(xì)線邊框)。
室出流自由水面(圖3.1)
閘室出流自由水面及流場矢量圖(堰面未表示)(圖3.2)
閘室出流總壓力場(顏色深為壓力大)(圖3.2)
圖3.1是閘室閘室出流自由水面,可以看出,由于水深較深,堰面的形式對(duì)水流流態(tài)影響不大,水面基本上是沿一個(gè)斜面自由出流,在水流進(jìn)入下游河床時(shí),由于擴(kuò)散段的影響,邊壁的水面比中部水流降得更低。
圖3.2可以明顯觀察到下游鼻坎下的水流洄流流態(tài)。
圖3.3的壓力場是靜水壓力(測壓管水頭)的分布,可以作為結(jié)構(gòu)計(jì)算依據(jù),例如下游的水墊塘護(hù)坦配筋、挑流鼻坎配筋等等。
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