基于CFD的U形渠道量水柱体型比选研究

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1、灌溉排水学报２０１４年８月第３３卷第４／５期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１４）０４／０５－０１６３－０５＊基于ＣＦＤ的Ｕ形渠道量水柱体型比选研究刘英，王文娥，胡笑涛（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００）摘要：针对Ｕ形渠道，以不同体型的量水柱为研究对象，利用Ｐｒｏ／Ｅ软件建立了Ｕ形渠道及量水柱的三维模型，并基于计算流体动力学软件Ｆｌｏｗ－３Ｄ，采用ＲＮＧｋ－ε三维湍流模型对Ｕ形渠道内的流动发展情况进行数值模拟。结果表明，圆柱形量水槽及菱柱形量水柱过渡段水面波动

2、较为剧烈；桥墩形量水柱上游壅水高度及水头损失过大；椭圆柱形量水柱的制作加工较为复杂；圆头量水柱结构简单，流场分布较平稳，上游壅水高度小，且水头损失小，适宜在我国北方多泥沙水源的渠道中应用。关键词：Ｕ形渠道；量水柱；数值模拟；体型比选中图分类号：Ｓ２７４．４文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１４．０４／０５．０３５刘英，王文娥，胡笑涛．基于ＣＦＤ的Ｕ形渠道量水柱体型比选研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１４，３３（４／５）：１６３－１６７．量水柱结构简单、经济，便于修建、抗淤堵能力强，自由出流时测流精度较高，且无需改

3、变渠道原有断面［１］结构，在我国北方灌区应用较广。已有研究主要针对于圆柱形量水槽，并未对其他体型的量水槽进行全面系统分析。近年来，随着计算机技术的不断更新，借助数值模拟进行流场预测及量水槽体型优化已成为一种重要的手段。利用Ｆｌｕｅｎｔ软件引入ＶＯＦ方法对Ｖ形直壁式量水槽的三维数值模拟结果与模型试验结果［２］［３－４］吻合良好；Ｕ形渠道机翼形量水槽的数值仿真计算结果与模型实测结果误差较小；利用Ｆｌｏｗ－３Ｄ软件［５］对Ｕ形渠道圆头量水柱水力特性的模拟值与实测值具有较好的一致性。为此，选取具有相同收缩比的圆柱形、桥墩形、菱柱形、椭圆柱形以及带Ｖ形尾

4、翼的圆头量水柱等横截面形式的量水柱，使用Ｆｌｏｗ－３Ｄ软件进行数值模拟，从过槽水流流态、流速分布、上游壅水高度、水头损失等方面对其结构形式进行了比较分析，为Ｕ形渠道量水柱的体型优化及应用推广提供参考。１材料与方法１．１试验方案采用Ｕ形渠道（渠长１２ｍ，渠深０．４５ｍ，底弧直径０．４０ｍ，中心角１５２°）全流道水力模型进行数值仿真试验。收缩比定义为喉口断面面积与渠道衬砌面积之比。试验采用２种收缩比（０．５６和０．５０）和５种不同体型的量水柱（其横截面为圆柱形、桥墩形、菱柱形、椭圆柱形以及圆头量水柱，高４５ｃｍ）。圆柱形量水槽的直径取１７．５、２０

5、ｃｍ；桥墩形半圆部分直径为１７．５、２０ｃｍ，矩形段长度为２０ｃｍ；菱柱形横截面短对角线长１７．５、２０ｃｍ；椭圆柱形短轴分别取１７．５、２０ｃｍ，长轴分别取２６．２５、３０ｃｍ；圆头量水柱圆头部分直径取１７．５、２０ｃｍ，顺流长度（量水柱对称面迎水点到尾翼末端的距离）分别为３５、４０ｃｍ。试验渠道底坡为１／１０００，给定过槽流量为３５Ｌ／ｓ。１．２控制方程与湍流模型Ｕ形渠道内水流属于不可压缩粘性流体的运动，Ｆｌｏｗ－３Ｄ软件将非稳态的连续性方程和不可压缩粘性＊收稿日期：２０１４－０３－０８基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７９１６３，５０

6、９０９０８３）；国家“十二五”科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＤ２９Ｂ０１）；中央高校基本科研业务费专项（ＱＮ２０１１１２７）；西北农林科技大学青年学术骨干支持计划项目作者简介：刘英（１９８９－），女，河北衡水人。硕士研究生，主要从事工程水力学的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｙｋｌ２００８＠１２６．ｃｏｍ通讯作者：王文娥（１９７５－），女，河南孟县人。副教授，硕士生导师，主要从事节水灌溉技术、流体机械及排灌设备等方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｗｅｎｅ＠ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｃｎ１６３流体运动的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程作为流体运动的控制方程。

7、研究考虑过槽水流为牛顿流体，采用Ｆｌｏｗ－３Ｄ独［６］特的ＦＡＶＯＲ网格技术，其连续性方程和动量方程中含有体积分数和面积分数参数，其具体表达式为：连续性方程：（ｕＡ）＋（ｖＡ）＋（ｗＡ）＝０（１）ｘｙｚｘｙｚｕ１ｕｕｕ１ｐ＋ｕＡｘ＋ｖＡｙ＋ｗＡｚ＝－＋Ｇｘ＋ｆｘｔＶＦ（ｘｙｚ）ρｘｖ１ｖｖｖ１ｐ动量方程：＋ｕＡｘ＋ｖＡｙ＋ｗＡｚ＝－＋Ｇｙ＋ｆｙ（２）ｔＶＦ（ｘｙｚ）ρｙｗ１ｗｗｗ１ｐ＋ｕＡｘ＋ｖＡｙ＋ｗＡｚ＝－＋Ｇｚ＋ｆｚｔＶＦ（ｘｙｚ）ρｚ式中：ρ为流体密度；ＶＦ为可流动

8、体积分数；Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ分别为ｘ、ｙ、ｚ方向可流动的面积分数；ｕ、ｖ、ｗ分别为与ｘ、ｙ、ｚ相对应的速度分量；Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ分别为ｘ、ｙ、ｚ方向的重