九龙峡水电站溢流堰三维数值模拟.pdf

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1、第27卷第3期长江科学院院报Vo1．27No．32010年3月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteMar．20l0文章编号：1001—5485(2010)03—0034—04九龙峡水电站溢流堰三维数值模拟郭红浩，张根广(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨陵712100)摘要：利用FLUNET软件，以k-e湍流模型封闭Reynods方程，采用VOF法追踪自由水面，对九龙峡水电站表孔溢流堰的水流按定常流动进行了三维数值模拟。结果表明：溢流堰的泄流能力、水面线、压力分布和流速分布等计算结果

2、与模型试验实测结果吻合良好，说明数值模拟计算可以用于一些水工建筑物泄流计算和设计。关键词：溢流堰；三维数值模拟；定常流；VOF方法中图分类号：TV135文献标识码：A水利工程遇到的问题多是边界条件复杂，水气OUi：0。(1)-掺混，存在自由水面的水流运动，所以对水流流场的oxi计算不同于单纯空气流场的计算，需要采用二相流雷诺平均方程模型，特别是对自由水面的处理比较困难。早期的Opu~uj——：处理方法通常采用“刚盖法”_】J，因为该方法要预先Otai假设水面形状，对水面弯曲比较大的情况就会产生一器+[+警]+。c2较大误差，因此，“刚盖法”逐渐被现在

3、的VOF(Vol-k方程HmeofFluid)方法取代，该方法在文献[2]中已有逊—Opkul应用，证明对于自由水面追踪非常有效。作者利用——Ot’OxjFLUENT软件，采用VOF法追踪自由水面，按非定常流计算时发现要实现一个几十万网格的模拟都比羔嵋[【羔+Ok]J+p一P。(3)较困难，主要是时效性比较差。考虑到数值模拟方方程法的时效性以及水工泄水建筑物设计计算和模型试业+皇唑：『1+验中处理问题的方法，本文以白龙江九龙峡水电站Ot嵋OxjLorOx溢流堰为原型，利用FLUNENT软件，VOF法追踪自由水面，在个人计算机上对溢流堰定常流动进行模c

4、1k—一c。2P}。(4斗)拟计算。结果表明，计算速度快，计算值与模型实测其中湍动能生成项p=[+OUjJ"10Ui们肌2~,粘值吻合良好。由此说明，数值模拟方法完全可以应用于一些常规水工建筑物设计和模型试验中，既可性系数，=c．pk。增加设计的科学性，又可缩短设计或模型试验时间；上述方程中：t为时间；M，“，为速度分量；，甚至对于一些不涉及消能防冲的中小型水利工程，为坐标分量；JD为容积分数平均密度，P为修正的压还可将泄水建筑物设计和模型试验合二为一。力，为湍动能；为湍动能耗散率；or为湍动能普朗特数；o-为湍动能耗散率普朗特数。计算时的模型常数值

5、为：C1=1．44，C2=1．92，C=0．09，k=1控制方程1．0．。=1．3。溢流堰定常流动属于一般不可压缩水流流动问用VOF法追踪自由水面，可以用下面的方程来题，可采用k-s湍流模型封闭Reynods方程，其基本描述：+，其中F为一个函数，通过求解控制方程组如下：OtCIXi连续性方程该方程可以得到该函数的值，函数值在0和1之间收稿日期：2009—01—09；修回日期：2009—02—25．作者简介：郭红浩(1980一)，男，陕西宝鸡人，硕士，主要从事水工水力学研究，(电话)029—87055307(I子信箱)ghhgps@126．corn。

6、第2期郭红浩等九龙峡水电站溢流堰三维数值模拟35变化。，值为1时表示网格内充满水，F值为0时表示网格内没有水存在，F值在0和1之间变化时该网格包含自由水面。所以，网格的尺寸大小直接影响自由水面的精度。以上方程为一组非线性偏微分方程组，可以采用有限体积法进行空间离散。当按照定常流计算时，与时间有关的项均为零(=0)，因此，可以缩o短计算时间。图2数值模拟计算区域示意图Fig．2Calculationregionsketchofnumericalsimulation2数值模拟及分析滑移速度边界。此外，气体进口边界条件设定为大九龙峡水电站大坝设两个溢流表孔

7、，表孔为开气压力进口边界，进口的湍动能k和湍动能耗散率敞式溢流堰，每个表孔宽lO．50ITI，总宽度21Ill。表按照水流进口的相应数值给定J。孔孔口尺寸为7．50m×8．50m，闸墩厚2in，溢流堰计算以进出口流量的差值作为判断计算是否完堰顶高程1953．5m，堰高49．5m。溢流堰上游由三成的依据，当进出口流量差值小于5％o时，认为计算段圆弧组成，下游采用WES曲线，方程为Y=已经完成。O．081x，后接1：0．75的直坡段及反弧段，反弧半2．2结果对比及分析径R=15Ill，挑角26。，挑流鼻坎高程1926．00in。九龙峡水电站整体水工模型的

8、几何比尺为反弧段设窄缝，且左表孔窄缝不对称。溢流表孔的1：50，流量用薄壁堰量测，溢流堰中线的静水压强用具体