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1、保水堰局部水头损失系数的数值模拟水利水电技术第36卷2005年第7期保水堰局部水头损失系数的数值模拟杨敏,艾海峰,陈为博(天津大学建筑工程学院,天津300072)【摘要】保水堰是分段低压输水管道中一种新型的衔接水工建筑物.文中采用VOF方法与标准k-e紊流模型相耦合,对保水堰的流场进行了数值模拟,计算出了保水堰的局部水头损失系数.为南水北调工程天津干线的设计提供了依据.【关键词】保水堰;局部水头损失系数;VOF方法;k-e紊流模型;数值模拟中图分类号:TV682.2文献标识码:A文章编号:1000.0860(2005)07.0046.03Numerical
2、simulationoflocalheadlosscoefficientforwater-keepingweirYANGMin,AIHai-feng,CHENWei-bo(SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Water-keepingweirisanewhydrauliclinkingstructureforthesteppedlow-pressuredeliverypipeline.BycouplingVOFmethodandstandard一tu
3、rbulencemode1.theflowfieldofwater-keepingweirissimulatedandthelocalheadlosscoefficientofwater-keepingweirisobtained;fromwhichsomedesignbasesforthedesignofTiarIj-msectiononthemainchanneloftheSouthtoNorthWaterTransferProjectareprovided.Keywords:water-keepingweir;,localheadlosscoeffi
4、cient;VOFmethod;k—turbulencemodel;numericalsimulation1引言南水北调工程天津干线全箱涵(无压接有压)全自流方案有压段采用新型的保水堰作为分段低压输水管道中的衔接水工建筑物.其建筑形式是两端为有压箱涵.中间是一个有宽顶堰的井.保水堰两端为有压流.中间为井流或堰流,其作用是保证有压段管涵在任何情况下均处于有压状态,以避免气体进入有压管道.保水堰在南水北调天津干线中起着水位控制点的作用,其局部水头损失的大小直接影响调节池中水位的确定.由于保水堰形式新颖,独特,其局部水头损失系数的确定没有经验可循,这里采用数值模
5、拟方法对保水堰的局部水头损失系数进行研究.2数学模型2.1水气两相流的VOF模型保水堰井中有自由液面.包含水气交界面.对自由表面的处理有多种方法,如刚盖假定,MAC46(Marker.And.Cel1)法,VOF(VolumeofFluid)法等.VOF法是处理自由表面问题的有效方法.本文就是采用VOF法来处理保水堰井中的水气交界面的.该方法的基本思想是:定义函数,y,z,t)和,y,z,t)分别代表计算区域内水和气的体积分数.在每个单元中.水和气的体积分数之和为1.即0+=1(1)对于某个计算单元而言,存在下面三种情况:=1,表示该单元完全被水充满;=0
6、,表示该单元完全被气充满;0<<1,表示该单元部分是水,部分是气,存在水气交界面.显然.自由表面问题属于第三种情况.水的体积分数的梯度可用来确定自由边界的法线方向.计算出各单元的及其梯度后,就可以确定各单元中自由边界的近似位置.水的体积分数的控制微分方程为收藕日期:2004.12.08作者简介:杨敏(195一),男,教授.WaterR",∞andHydropowerEngineeringVoi.36No.7+/Zi:0(2)0(2)式中,t为时间;/Z和分别为速度分量和坐标分量.水气交界面的追踪即通过求解该连续方程来完成.2.2紊流模型及数值计
7、算方法在VOF模型中,由于水和气共有相同的速度场和压力场,因此,对水气两相流可以像单相流那样用一组方程来描述流场.对于本文采用的标准k—双方程紊流模型,其基本微分方程包括连续方程,动量方程,紊动能k方程及紊动能耗散率方程,可分别表示如下.连续方程+=0(3)ma,～动量方程+一监+at嵋专[c等+等)]c4k方程等+等=去[等]脚c5ataa鼍【.oaJ…方程警+=去[)酱卜at.aa蕾【.odJc}}(6)式中,/Z为麓方向的速度分量,i,j=l,2,3;P和分别为体积分数平均密度和分子粘性系数;P为修正压力;为紊流粘性系数,它可由紊动能k和紊动能耗散率
8、8求出t2=p(7)式中,为经验常数,0.09;O"k和.分别为k
