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1、三维紊流模型在丁坝中的应用第39卷第1期2006年2月武汉大学(工学版)EngineeringJournalofWuhanUniversityVo1.39No.1Feb.2006文章编号;1671—8844(2006)01一ol5-06三维紊流模型在丁坝中的应用崔占峰,张小峰(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)摘要:对淹没丁坝水流三维计算进行了研究和探讨,采用标准￡模型结合璧面函数的方法,模拟分析了丁坝淹没情况下丁坝附近的流场,紊动能及耗散率的分布,并把计算结果与实验资料进行了对比分析,计算值
2、和实验值符合较好.此外,模型较好地模拟出了丁坝顶端的分离流,坝后回流及回流区横断面上的二次流.关键词:丁坝;三维数值模拟;标准e模型;壁面函数中图分类号:Tv132.2文献标识码:AFlowsimulationofspurdikeusing3?-DturbulentmodelCUIZhanfeng.ZHANGXiaofeng(StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)A
3、bstract!A3一Dturbulentmodelwasdevelopedtosimulateflowfieldaroundspurdike.Inthemodel,thestandardkemodelandthewallfunctionwereadopted.Simulatedresultsofvelocitydistribution,turbulentkineticenergyanditsdissipationratearoundaspurdikeagreewellwiththeexperimentalda—ta.Mor
4、eover,computationalresultshowsthatthemodeldevelopedcansuccessfullysimulatetheseparatestructureofflowatthetopofspurdike,circumfluencebehindspurdikeandsecondaryflowinthecross—sectioninthecircumfluencearea.Keywords:spurdike;3一Dnumericalsimulation;standardk-emodeling;w
5、allfunction丁坝是广泛使用的河工建筑物,丁坝修建后使原河道缩窄,产生坝头分离流和坝尾回旋流,局部流动呈强三维紊动特性.由于流线压缩以及由此而产生的流速增加,坝头附近河床会受到剧烈冲刷l_1],因此坝头及坝后回流区流场的预报一直受到重视.由于问题的复杂性,求出其解析解是十分困难的.早期研究主要以实验手段为主,而目前随着计算机及数值模拟技术的迅速发展,数值模拟已经成为研究丁坝绕流问题的一个重要手段.程年生和李昌华采用沿水深平均的二维水流模型及双方程模型研究了丁坝绕流流场及紊动能等的分布规律;Ting—sanchali和
6、Maheswaran(1990)应用沿水深平均的二维模型和经经验系数修正的e模型,计算了丁坝附近的河床应力分布];Chaudhry和Khan(1995)开发了计算丁坝水流的一,二维模型,在算法上采用了隐式ADI和显式MacCormack相结合的模式,紊流模型采用的是最简单的涡黏系数法l_4;Mayerle等(1995)应用其三维紊流模型,在水深方向采用静水压强假定,模拟计算了丁坝附近的流场;周宜林等采用大涡模拟方法研究了丁坝附近的流场分布;彭静研究了丁坝试验和数值模拟两方面的成果,分析了丁坝局部流动结构及冲刷机理[8].本文
7、采用标准肛￡双方程模型,并结合璧面函数的方法建立了三维紊流数学模型,并以此为基础,模拟,分析了单一丁坝情况下丁坝附近的流场及应力分布.1三维紊流模型控制方程在三维直角坐标系中,不可压流体标准模收稿日期:200509—28作者简介:崔占峰(1978一),男,河南商丘人,博士研究生,主要从事河流数学模拟方面研究16武汉大学(工学版)型控制万程组为:连续方程aUi—O(1)aX…动量方程警+(一吉爰+壶c爰+爰]k方程a瓦k+uak一+)爰]+G一￡(3)其中G为产生项,G(爰+爰)爰.￡方程塞+U焘丧+)轰]+c-cz(4)式中
8、:U为速度的三个方向分量;P为动水压强;v为水流运动粘性系数;k为紊动能;e为紊动能耗散率==:Gk./￡,为紊动粘性系数;C,,,C1E,C为经验常数,通常取值如表1.表1模型经验常数值取值o.09I.oI.3i.44I.922方程的离散采用有限体积法离散方程(1)～(4),为避免压力场
