溢流丁坝附近自由水面的实验研究与数值模拟

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1、万方数据水利学报2003年8月SHUIUXUEBA0第8期文章编号：05舶-9350(2003)08—0053一05溢流丁坝附近自由水面的实验研究与数值模拟李志勤1，李洪1，李嘉1，李然1(1四川大学高建水力学国索重点实验室，四川成都610嘶5)擅l：在整治河道中，丁坝的存在使得丁坝附近自由水面及流场的三维特性非常突出，对这种三维特性非常突出的自由水面和流场的模拟在计算流体力学的应用中一直是个难点。作者对溢流丁坝附近的自由水面进行了实验研究，应用v(坍方法和标准的k．e模型柄合求解对丁坝附近自由水面的模拟，模拟结果与实测值吻合较好，说明vO

2、F方法可以在丁坝附近自由水面的计算中应用推广。同时，还对溢流丁坝附近的流场进行了预测。美■锕：流场；自由水面；丁坝；VOF方法中圈分类号：Tvl36．6文献标识码：A在河道整治中，丁坝的应用比较广泛。丁坝的存在会改变其周围的水流特性，使流动变得复杂。丁坝附近水流的研究主要有回流区长度、丁坝上游蠹水高度、丁坝附近流态、丁坝附近动水压力特性、丁坝局部水头损失等，归纳起来即为丁坝附近流场和自由水面两个方面。过去对丁坝近体流场的研究多是建立在一维水面模拟的基础上，而丁坝附近自由水面却具有明显的三维特性，因此，研究丁坝附近的三维自由水面，有利于更为精

3、确掌握丁坝附近水面状况和模拟丁坝近体流场。数值模拟界面流方法是在两相流理论基础上发展起来的一种用于计算互不渗透、不可压介质流动界面的方法“1，基于气液两相流理论的v0F模型就是其中典型的一种。韩标等甩vOF方法模拟容器中液面非剧烈波动的表面波动状况”】，腾爱国、邱大洪等用v0F模型模拟海岸附近波浪变形”’，李然等用v0F方法计算明渠中的水气界面“1，c¨础i軎，N．AllB0p，N．w．H．等用VOF方法模拟海岸和港口附近的水动力波”1均获得了比较理想的结果。作者用voF方法模拟单丁坝水稽实验中丁坝附近自由水面并与实测值进行比较，二者吻合较

4、好。同时，丁坝附近流场模拟也能够比较理想地反映出丁坝附近的流场特性。1VOF方法1．1模蛩的基本思巷设某流体(如水或空气)在计算网格(如控制体积)内的体积函数为，(x，y，：，I)，，∈[0，1]。将流体体积函数理解为固结在流体质点上并随流体质点一起运动的没有质量、粘性的、着色点的运动，其输运方程为蔷+uV，=o(1)每次在求得流速U后，用同样的方法求解式(1)，根据实际情况取，∈(0，1)的某一等值面，就是自由水面。1．2横型方程voF方法中，引入了体积分数变量，也就是上面提到的体积函数，此处记为a。(下标g表示第q相)。于是有：％=0，

5、表示该控制网格内没有第g相流体；％=l，表示该控制网格内收籍日期：2∞3．04．15基金理日：西部交通建设科技项目资助作者简介：李毒勤(1972一)．女．博士生．主要从事水力学与河流动力学的研究。53万方数据万方数据万方数据15§ms。。5图4溢藏r=0．3纵剖面计算一实测水位对照OI23‘5678=恤圈5溢藏y=0．4纵削面计算一实铡木位对照o‘圈6溢藏丁坝纵嗣面流场(y=0．1m)图7溢流丁坝上赫j=465m横嗣面漉场圈8溢漉丁规下游工=47Im横剖面流场4小结丁坝的设置会导致丁坝附近流场特性的巨大改变，自由水面存在明显的三维特性，应该

6、对它进行更为精确的模拟。vOF方法在存在明显三维特性的自由水面计算中，是比较精确、可行的，可以在断面或水面比降变化频繁、受下游回水影响较大，如有丁坝布置或支流汇人的河段以及弯曲河段等实际工程中加以应用。作者将在以后进一步进行该方面的研究。参考文献[I]刘全，承鸿寿，等．数值模拟界面流方法进展[J]力学进展，2002，(2)：259—274[2]韩标，何枫，等．工程中液面波动的数值模拟[J]．水动力学研究与进展。19鲫。14(2)：142一147—56—万方数据溢流丁坝附近自由水面的实验研究与数值模拟作者：李志勤，李洪，李嘉，李然作者单位：四

7、川大学,高速水力学国家重点实验室,四川,成都,610065刊名：水利学报英文刊名：JOURNALOFHYDRAULICENGINEERING年，卷(期)：2003(8)被引用次数：27次参考文献(5条)1.李然;李洪气液两相流理论在明渠水气界面计算中的应用[期刊论文]-水动力学研究与进展A辑2002(01)2.腾爱国;邱大洪波浪变形数值模拟[期刊论文]-大连理工大学学报2001(03)3.韩标;何枫工程中液面波动的数值模拟[期刊论文]-水动力学研究与进展A辑1999(02)4.ChristakisNAllsop;NWHAvolumeoffl

8、uidnumericalmodelforwaveimpactsatcoastalstructures2002(03)5.刘全;水鸿寿数值模拟界面流方法进展[期刊论文]-力学进展2