梯形迷宫堰数值模拟及体型优化设计.pdf

《梯形迷宫堰数值模拟及体型优化设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第３８卷第５期人民黄河Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．５２０１６年５月ＹＥＬＬＯＷＲＩＶＥＲＭａｙ，２０１６【工程勘测设计】梯形迷宫堰数值模拟及体型优化设计１１２１１张丰丽，王正中，王必华，石娇，王羿（１．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨陵７１２１００；２．荆门市水利勘察设计院，湖北荆门４４８０００）摘要：采用标准ｋ－ε紊流双方程模型，引入ＶＯＦ方法处理自由水面，根据气－液两相流计算模型对迷宫堰的流场进行了数值模拟，计算结果与试验数据较为吻合。模拟结果表明，采用数值模拟可以计算出迷宫堰的泄流能力，解决迷宫堰的泄流问题。从最大限度抬高正常蓄水位、实现雨洪安

2、全高效利用的角度出发，通过确定迷宫堰的优化设计原则、优化目标、约束条件建立梯形迷宫堰模型，以石路水库为例结合ＵＷＲＬ流量计算法对该模型分析求解，并结合坝顶高程安全复核方法确定结果的可行性。结果表明采用该方法即能够最大化提高水库的蓄洪能力，还能保证大坝安全泄洪，满足安全高效利用雨洪资源的原则。关键词：梯形迷宫堰；数值模拟；优化设计；泄流能力中图分类号：ＴＶ２２２文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００⁃１３７９．２０１６．０５．０２３迷宫堰技术在改造水库的无闸溢洪道中，既能增对天生桥水电站溢洪道利用ＶＯＦ模型进行了三维数大水库的有效库

3、容和水电站水头，又能满足泄洪要求，值模拟，模拟结果均与试验结果吻合，利用数值模拟解与建闸技术相比，在相同堰宽条件下，其蓄洪与泄流效决工程实际问题已成为一种趋势。笔者以在无闸溢洪果接近，而工程造价只有建闸的１／４～１／２，且维护费用道上修建梯形迷宫堰为例，在堰宽不变的前提下以实［１］现雨洪资源的安全高效利用为目的，采用数值模拟方低，管理简单，值得推广。利用迷宫堰的主要目的是：提高水库泄洪能力，保证水库安全；增加兴利库容，法，结合迷宫堰设计原则及体型优化方法，分析迷宫堰缓解水资源缺乏问题。当前，关于迷宫堰水力特性的的堰上过流能力，优化体型。研究主要是通过试

4、验来获得的，泄流系数的计算方１数学模型［２］法有以下四种：①Ｄａｖａｓ法，该方法的堰上水头与堰高之比的取值范围为０．２～０．６，未考虑单宫宽度与堰采用标准ｋ－ε紊流双方程模型，其基本微分方程高之比对泄流能力的影响；②ＵＳＢＲ法，ＵＳＢＲ法考虑包括质量守恒方程（连续方程）、动量守恒方程、时均的泄流影响因素比较全面，但流量系数与堰上水头和方程。水气两相流自由面的追踪采用流体体积分数法堰高之比的关系曲线差别不明显，且没有明确的关系（ＶＯＦ），模型引入体积分数变量，通过控制每一控制表达式；③ＵＷＲＬ法，该方法中侧墙夹角的取值为６°～单元的体积分数值来确定相同截

5、面。设ａｗ为水的容３５°，未考虑单宫宽度与堰高之比对泄流能力的影响；积比率，ａａ为空气的容积比率，则两者的关系为ａａ＝１－④张志军－何建京法与曾甄－张志军的改进法，张志ａｗ。其中：当ａｗ＝０时，控制单元内没有水；当ａｗ＝１军－何建京法考虑的泄流影响因素比较全面，且使用时，控制单元内充满水；当其介于０到１之间时表示控范围较广，而曾甄－张志军的改进法是对张志军－何建制单元内包含水气交界面。水气界面的追踪通过求解［４］京法的补充和完善，与其他三种方法相比，具有一定的下面的连续方程来完成：∂ａ∂ａ优越性，但拟合出的关系式只能用于单宫宽度与堰高ｗｗ＋ｕ＝０（１）

6、ｉ∂ｔ∂ｘ之比分别为１、２、３、４时的情况，具有一定的局限性。ｉ式中：ｔ为时间；ｕ、ｘ分别为速度分量和坐标分量。这些问题限制了迷宫堰的推广使用，这使得在取得最ｉｉ大堰高的基础上寻找一种低成本、低误差的迷宫堰过流能力计算方法格外重要。收稿日期：２０１５０４１１随着计算机技术的发展、紊流数值模拟理论的广基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＤ１０Ｂ０２）。作者简介：张丰丽（１９８９—），女，河南镇平人，硕士研究生，研泛应用和计算方法的不断完善，数值模拟已成为研究究方向为水工程安全评价及灾害防治理论与技术。水力学问题的一条重要途径。如杨忠超等

7、［３］对多股通信作者：王正中（１９６３—），男，陕西彬县人，教授，博士生导师，主要从事水工结构工程研究工作。［４］水平淹没射流水垫塘流场进行了数值模拟，牛坤等Ｅ⁃ｍａｉｌ：１８７９２７１７５５４＠１６３．ｃｏｍ·９５·人民黄河２０１６年第５期根据ａ的值可以得知自由面的位置。由式（１）可水头。ｗ知，其求解与时间有关，因此水流流场的求解须采用瞬远壁面采用无滑移固体边界，近壁面采用标准壁态求解。其水面线的具体位置采用Ｇｅｏ－Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ面函数方法来处理。在初始流场中，从水入口顶部水格式来确定，它采用分段线性近似的方法来表示自由位水平延伸至出口处以下

8、部分充满水，且整个计算区水面线。域的初始速度均为０。迷宫堰分６个宫室，为对称结构，为了便于计算