水利工程天然水體自由水面模擬

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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，尤其是在閘門槽下游位置，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閘門槽中，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。