水利工程天然水體自由水面模擬

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簡介： 水力數值模擬的專題之——自由水面模擬；）歡迎大家轉載！
關鍵字：水利 天然水體 自由水面 模擬

我們認為利用計算機模擬計算， VOF模型在水利工程天然水體自由水面模擬中的推廣應用是有很大前景的，對于一般性的中小工程，VOF模型基本上可以代替水工模型實驗，可以演算不同工況的水力計算；對于重要和大型工程，利用VOF模型和水工模型實驗相結合，可以減小實驗周期，降低實驗成本，并且數字模型和水工模型互相對照，使實驗結果更加直觀有效。

同時我們也應該看到，由于實際工程中的邊界條件較為復雜，VOF模型的模擬中邊界條件必須準確可靠，使其盡可能的符合實際工程的邊界條，以達到最優(yōu)的計算效果。

本文以作者參與的幾個工程實例為契子，拋磚引玉的介紹VOF模型在水利工程中的自由水面模擬計算。

一，  排水連接井。

　　工程介紹：這是一個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，設計流量為24m³/S,采用VOF計算模擬如下：

連接井結構圖（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是連接井的三維結構示意圖，簡化起見，沒有表示出構筑物的尺寸，我們可以看出這個連接井是進口高，出口低，中間有一個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，由于本連接井是位于地面下的封閉結構，該模型計算可以定量分析所需通氣量的大小，這個是其他任何試驗模型無法比擬的。

　　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，由于利用前期導流洞，做成一個“龍?zhí)ь^”的泄洪洞形式，泄洪流量為1500個流量以上，洞口高程51m（相對出口高程，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，堰頂的流速大，壓強小，尤其是在閘門槽下游位置，極易發(fā)生氣蝕。請注意一點，隧洞是否有壓還是無壓流并不由程序自動判斷，隧洞泄洪流態(tài)判斷本身就是一個比較難的課題，判斷隧洞是有壓流還是無壓還需根據相關的規(guī)范及水力學公式計算后確定，因為模型的上下游邊界條件必須根據實際情況由軟件的使用者判斷輸入，下面作者就僅僅改動下游邊界條件為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)橛袎毫鳎纱丝梢?，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，計算所耗費時間將更長。

　　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（相對下游河床標高），下游挑流鼻坎標高2m，閘室寬度6m，現模擬水閘蓄水后全開的工況，堰頂水頭為6m，為模擬多個閘室聯合泄流，將模型的上下游邊壁設定為Axis－boundary（圖中綠色細線邊框）。

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，堰面的形式對水流流態(tài)影響不大，水面基本上是沿一個斜面自由出流，在水流進入下游河床時，由于擴散段的影響，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，可以作為結構計算依據，例如下游的水墊塘護坦配筋、挑流鼻坎配筋等等。