水利工程天然水体自由水面模拟

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简介： 水力数值模拟的专题之——自由水面模拟；）欢迎大家转载！
关键字：水利 天然水体 自由水面 模拟

我们认为利用计算机模拟计算， VOF模型在水利工程天然水体自由水面模拟中的推广应用是有很大前景的，对于一般性的中小工程，VOF模型基本上可以代替水工模型实验，可以演算不同工况的水力计算；对于重要和大型工程，利用VOF模型和水工模型实验相结合，可以减小实验周期，降低实验成本，并且数字模型和水工模型互相对照，使实验结果更加直观有效。

同时我们也应该看到，由于实际工程中的边界条件较为复杂，VOF模型的模拟中边界条件必须准确可靠，使其尽可能的符合实际工程的边界条，以达到最优的计算效果。

本文以作者参与的几个工程实例为契子，抛砖引玉的介绍VOF模型在水利工程中的自由水面模拟计算。

一，  排水连接井。

　　工程介绍：这是一个海边火电厂的排水建筑物，为充分掺气将溢流堰做成与水流方向斜交30度角，连接井进口尺寸为2X2.8X2.8（单位：米，以下同），出口尺寸为3.5X4.5,溢流堰采用WES剖面，堰顶水头0.50m，设计流量为24m³/S,采用VOF计算模拟如下：

连接井结构图（图1.1）

连接井自由水面及流场矢量图（图1.2）

连接井自由水面及剖面图（图1.3）

连接井自由水面局部（图1.4）

　　图1.1是连接井的三维结构示意图，简化起见，没有表示出构筑物的尺寸，我们可以看出这个连接井是进口高，出口低，中间有一个斜交的溢流堰将其分成两部分（在1.3图可以明显看出剖面中的溢流堰形状）。

　　图1.2是连接井的自由水面及流场矢量图，其中水相和气相的流场都非常清晰，而在溢流堰附近发生明显的紊动流态。

　　图1.3、1.4的可以看出由于高差的存在，水流携带气流混合进入水相的深层。

　　本模型可作为判断掺气情况、是否发生气蚀的参考，同时，由于本连接井是位于地面下的封闭结构，该模型计算可以定量分析所需通气量的大小，这个是其他任何试验模型无法比拟的。

　　二、泄洪洞泄洪水力模拟（二维）

　　工程介绍：某水力电站的泄洪洞，由于利用前期导流洞，做成一个“龙抬头”的泄洪洞形式，泄洪流量为1500个流量以上，洞口高程51m（相对出口高程，以下同），塔顶高程113m，堰面为WES剖面，堰顶高程53m，出口为自由出流。

泄洪洞纵剖面图（图2.1）

泄洪洞无压流自由水面（图2.2）

泄洪洞无压流压力分布（图2.3）

　　从图2.2、2.3可以看出，“龙抬头”泄洪洞在无压流情况下类似堰面流，在这种情况下，堰顶的流速大，压强小，尤其是在闸门槽下游位置，极易发生气蚀。请注意一点，隧洞是否有压还是无压流并不由程序自动判断，隧洞泄洪流态判断本身就是一个比较难的课题，判断隧洞是有压流还是无压还需根据相关的规范及水力学公式计算后确定，因为模型的上下游边界条件必须根据实际情况由软件的使用者判断输入，下面作者就仅仅改动下游边界条件为OUTFLOW后的情况做一模拟：

泄洪洞有压流自由水面（图2.4）

　　下游边界条件改变后水位很快上升到闸门槽中，隧洞也由无压流变为有压流，由此可见，边界条件的确定是很重要的。

　　三维泄洪洞泄洪水力模拟与二维模型大体一致，需要说明的是三维模拟的收敛条件更苛刻，计算所耗费时间将更长。

　　三、普通水闸泄流三维模拟。

　　水闸过流是最常见的一种低水头，高流量的水力现象，上游多为堰面溢流，下游为多为淹没出流。本工程为一低水头重力式水闸，上游堰顶高程6m（相对下游河床标高），下游挑流鼻坎标高2m，闸室宽度6m，现模拟水闸蓄水后全开的工况，堰顶水头为6m，为模拟多个闸室联合泄流，将模型的上下游边壁设定为Axis－boundary（图中绿色细线边框）。

室出流自由水面（图3.1）

闸室出流自由水面及流场矢量图（堰面未表示）（图3.2）

闸室出流总压力场（颜色深为压力大）（图3.2）

　　图3.1是闸室闸室出流自由水面，可以看出，由于水深较深，堰面的形式对水流流态影响不大，水面基本上是沿一个斜面自由出流，在水流进入下游河床时，由于扩散段的影响，边壁的水面比中部水流降得更低。

　　图3.2可以明显观察到下游鼻坎下的水流洄流流态。

　　图3.3的压力场是静水压力（测压管水头）的分布，可以作为结构计算依据，例如下游的水垫塘护坦配筋、挑流鼻坎配筋等等。