沉沙池立面流场数值模拟研究论文

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1、沉沙池立面流场数值模拟研究论文摘要：采用κ-ε紊流模型，对沉沙池立面流厨行了数值模拟。在验证模型正确的基础上，以大禹渡沉沙池为例，分析了沉沙池中水流的运动规律，为进一步研究泥沙在沉沙池中的运动规律提供了前提，最终为沉沙池的工程设计和运用管理提供科学依据。关键词：沉沙池κ-ε模型立面流场大禹渡1前言在多沙河流上修建引水工程，为了减少进入引水渠的泥沙，保证引水质量.freelpiricalfactorscμcε1cε2σkσε0.091.441.921.01.32.3边界条件沉沙池立面流场的边界条件包括：（1）进口断面边界条件；（2）出口断面边界条件；（3）自由水面边界条件和（4

2、）固壁边界条件。分述如下。（1）进口断面边界条件沉沙池进口断面的水流按均匀流计算其行进流速，即水流方向流速U按明渠均匀流的有关公式求解，水深方向流速V=0。k、ε分别采用下式计算其参考值，均假设在水深方向均匀分布4。k=0.2u2(7)(8)其中，混掺长度lm=cμ(0.5Hin)(9)Hin为池首进口水深。（2）出口断面边界条件沉沙池的出口往往为一溢流堰，可按堰流计算堰顶平均流速，作为U的出流边界，其余物理量则按自由出流条件给出，即(10)（3）自由水面边界条件自由水面近似采用“刚盖”假定，包括：①压强采用相对压强，即P=0；②V=0；③U、k在自由水面的法向梯度为0，即：

3、；④ε采用下式计算4:ε=k1.5/0.43H。（4）固壁边界条件沉沙池的固体边界一般包括沉沙池底部、水流经闸门后突然扩大断面的跌坎壁及尾部溢流堰墙三部分，如图3所示。可采用壁面定律模拟粘性底层与紊流区交界面处的流速、紊动能及其耗散率5。①流速壁面条件ures/uτ=1/κln(y*E)(11)式中ures为平行于壁面的流速分量，uτ为摩阻流速，y*=yuτ/v是无因次量，y为计算点到壁面的距离，κ为卡门常数，取为κ=0.4，E为表征糙率参数，对水力光滑壁面，可取E=9.0。②紊动能k的壁面边界条件(12)③耗散率ε壁面边界条件(13)3模型验证本文计算程序采用FORTRAN

4、77语言编制，对文献6中描述的算例进行了验证计算。该沉沙池有关参数及计算域分别如表2及图1所示。其中L为沉沙池长度，d0为池首闸门开启高度，H为池中水深，q为单宽流量，Ｕin＝q/d0，表示为进口平均流速。图1沉沙池计算域示意图Calculatingsketchofsettlingbasin表2沉沙池尺寸及水力参数DimensionandhydraulicfactorsofsettlingbasinL（cm）H（cm）q（cm2/s）Uin（cm/s）d0（cm）73.011.9109.421.885.0图2流速U垂线分布情况对比parisonofverticaldistri

5、butionofvelocityU图3大禹渡沉沙池计算域概化剖面图CalculatingsketchofDayudusettingbasin利用上述建立的κ-ε紊流模型对该沉沙池流厨行模拟计算，计算成果与前人成果及实测资料对比如图2所示。图2中，Imam等人采用旋度—流函数法模拟沉沙池立面流场7，Abdel-Ga，设计水深5～9.7m，计算时取水深为7m，沉沙池末端设一长192m的溢流堰，概化后的大禹渡沉沙池剖面图如图3所示。4.2计算成果分析取沉沙池的首部、中部及尾部三个典型断面，分析各个断面的流速、紊动能及耗散率的垂线分布，从而揭示沉沙池水流的运动规律。图4为各断面水流方

6、向流速U的垂线分布。分析图4可以看出，在首部断面，沉沙池底部水流方向与池中水流方向相反，说明水流经闸门后断面突然扩大，在沉沙池首部产生局部回流，此处的水流紊动最为剧烈。至沉沙池中部，水流渐趋稳定，流速垂线分布与紊流流速分布规律相符合，即可以用对数律来表示沉沙池中/%U/%流速的垂线分布。图4流速U垂线分布VerticaldistributionofvelocityU图5流速V垂线分布VerticaldistributionofvelocityV图6紊动能κ垂线分布Verticaldistributionofturbulenceenergyκ图7紊动耗散率ε垂线分布Vertic

7、aldistributionofturbulentdiffusivityε图5所示为各断面水深方向流速V的垂线分布情况。从图5可以看出，当水流在池首断面扩散后，主流有潜向沉沙池底部的趋势，V流速的方向与y坐标方向相反，故池首断面的V流速值均表现为负值；到沉沙池中、后部，水流则趋于向溢流堰顶汇集，V流速值则表现为正值。由此可见，V的垂线分布及沿程变化情况与沉沙池水流运动的实际情况相符合。各断面的紊动能及其耗散率的垂线分布分别如图6和图7所示。分析两图可以认为：池首断面的紊动能及其耗散率大约是沉沙池中、后部