闸下应用废旧轮胎消能防冲的三维数学模型建立

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1、闸下应用废旧轮胎消能防冲的三维数学模型建立　　摘要：水闸冲刷问题是水利工程中普遍存在的问题，诸多研究人员对该问题进行了系统地研究，研究结果显示使用汽车的废旧轮胎对海漫段增大糙率，可以起到减少冲刷的作用。通过对比分析不同的湍流模型、数值计算方法、网格划分尺度、壁面处理方法，最终采用RNGk-ε湍流模型、PISO算法，将整个流场划分为67.27万网格，选择标准壁面函数对流场进行模拟计算。计算结果与模型试验实测结果吻合较好，说明模型能更好地用于加糙后的流场模拟计算。　　关键词：废旧轮胎；数值模拟；RNGk-ε湍流模型；PISO算法　

2、　中图分类号：TV653.7文献标志码：A文章编号：1672-1683（2016）04-0168-05　　Abstract：Erosionofsluiceisacommonprobleminwaterconservancyprojects.Manyresearchershaveconductedsystematicstudiesonthisproblem.Theresultsshowedthatapplicationofscraptireswasaneffectiveapproachtoincreasetheroughness

3、ofapronandthusreduceerosion.Bycomparisonandanalysisofthedifferentturbulencemodels，numericalmethods，gridscaleandwallsurfacemethods，finallytheRNGk-εturbulencemodelandPISOalgorithmwereused，thewholeflowfieldwasdividedinto672700grids，andstandardwallfunctionswereusedtodea

4、lwiththeboundary12conditiontocalculatetheflowfieldofscraptiresinenergydissipationanderosioncontrolundersluice.Thecalculationresultswereingoodagreementwiththemodeltestresults，indicatingthatthemodelcouldbeusedtotheflowfieldwithenhancedroughness.　　Keywords：scraptires；n

5、umericalsimulation；RNGk-εturbulencemodel；PISOalgorithm　　对于平原区水闸的冲刷问题，许多研究人员已进行了大量的试验研究，其中使用汽车轮胎增大水闸海漫段的糙率，可以起到降低冲坑深度和范围的作用[1-3]。　　近些年来，计算机更新换代速度的加快，使其运算功能逐渐增强，同时也让数值模拟计算方法得到迅猛的发展，更多的工程问题及工程案例借助数值模拟计算方来完成、验证[4-10]。物理模型试验研究与计算机数值模拟计算是目前研究工程问题的两种主要方法，同时，物理模型实验结果和数值模拟计算

6、结果可以互相验证，增大研究结果的可靠度。为此通过对不同计算模型、计算方法、网格尺度及边界条件处理方法所得的模拟结果和物理模型试验结果进行比较，选择出合适的计算方法、建立起合理的模型并进行数学模型计算。　　1控制方程及湍流模型选择　　该计算流场为黏性不可压湍流，其控制方程可以由连续方程（1）和动量方程（2）来表示[11]。　　对于加糙后流场采用更合理的湍动能k方程和耗散率ε12方程建立的双方程模型来模拟计算。其中标准k-ε模型最基本的，也是最简单的、最稳定的；RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型是对标准k-ε模型修正

7、后的模型，具有标准k-ε模型简单、稳定的优点，同时对于有回流产生的、曲率变化较大的等复杂流场，也能很好地预测其水流特性[12-13]。　　同时，采用VOF模型对自由液面进行追踪计算，处理水和气的交界面[14]。VOF模型不是复杂的多流体模型，对于水、气两相流而言，它是假设同一个单元体内的水、气体以及水气混合体的速度完全相同，在整个流场中只有各自的体积分数是个变量。对于任何一个单元体而言，其水相的体积分数和气相的体积分数之和等于1。　　此次建模以物理模型试验采用的尺寸为依据。物理模型试验是在长10m、宽0.5m、高0.9m、底坡

8、i=1.24‰的玻璃水槽中进行。选用外径15cm、内径8cm的模型玩具汽车的轮胎模拟废旧轮胎。分别采用标准k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型对布置七排加糙体方案下，流量为310m3/h时的流场进行了数值模拟计算，图1为各模型的水位计算值，图2为各模型