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《90_明渠交汇口三维水力特性数值模拟_张挺》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、水利学报2009年1月SHUILIXUEBAO第40卷第1期文章编号:0559-9350(2009)01-0052-0890明渠交汇口三维水力特性数值模拟1,2231张挺,许唯临,伍平,麦栋玲(1福州大学土木工程学院,福建福州350108;2四川大学水力学及山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都610065;3西华大学建筑与土木工程学院,四川成都610039)摘要:明渠干支流交汇口包含了许多重要的水流现象,在污水处理厂和过鱼建筑物等水利设施中经常遇到。本文采用k-紊流模型对
2、90明渠交汇口三维流场进行了模拟,运用双曲正切扩展函数法构造动态网格来跟踪自由水面,将模拟的结果与实验数据进行了对比,吻合良好,成功捕捉到了交汇口水面变化及二次流等主要水流特性。分析了交汇口分离区形状参数、支渠入流角及断面收缩系数与干支渠流量比之间的关系,并与前人的研究成果进行了比较。关键词:明渠交汇流;k-紊流模型;三维流场;分离区;二次流中图分类号:TV133文献标识码:A1研究背景明渠交汇流在环境工程和水利工程设计和运行管理中经常遇到,例如污水处理厂和过鱼建筑物、灌溉及电站尾水排水口等。明渠干支流交汇口
3、包含了许多重要的水流现象,其水流三维动力特性受很多因素的影响,从而使纯理论描述分析交汇口水流流动十分困难。这些影响因素主要包括交汇口尺寸、形状、渠道底坡、两明渠的交角、流量比、水流弗劳德数和雷诺数等。深入认识交汇口局部水流三维动力特性,对交汇口泥沙或物质输移、渠道局部冲刷、渠道有效过流面积等的研究具有重要的理论与实际意义,长期以来明渠交汇流问题引起了许多专家学者的强烈研究兴趣。[1]Webber和Greated运用保角变换方法定义交汇口区域的理论水流模式,从而可将驻点放在交汇口[2]的上游角和描绘分离区域,并给出了
4、交汇口相对能量损失的估算公式;Modi等人通过无黏无旋流动[3]假定得到交汇口下游分离区最大宽度和长度的计算公式;Best和Reid引入了最大回流宽长比作为分[4]离区形状指标来描述明渠交汇口下游分离区;Ramamurthy等对流量比(干流上游流量与交汇口下游流量比值,QmQd)为04~077范围的矩形明渠交汇流进行模型实验,结果表明交汇口平均水流交角与[5]流量比成反比;Hager实验研究结果表明交汇口上下游水深比和收缩系数是干支渠交角和流量比的函[6][7]数;Kumar对Hager得到的计算公式进行了简
5、化和改进;Gurram等对明渠汇流问题进行了系统的研[8,9]究,并运用动量分析法得到了交汇口水深变化的计算公式;Hsu等通过实验结果,根据动量和动能原理对90等宽平底明渠交汇口水流进行分析,得到了交汇口上下游水深和最大收缩断面的收缩系数计算[10]公式;Biron等对30交角、干支流渠底高程不一致的明渠交汇口水流进行了实验研究,并给出了较为[11]详细的流速数据;Weber等采用声学多普勒流速仪(ADV)对90等宽明渠交汇口水流进行了模型实[12]验,给出了详细的交汇口三维水流的实验数据和汇流结构;茅泽育等
6、采用五孔毕托球对45等宽明渠收稿日期:2008-12-28基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2007CB714705);福建省自然科学基金资助项目(E0710013);福建省教育厅基金资助项目(JB06060);福州大学发展基金资助项目(2006-XQ-27)作者简介:张挺(1977-),男,福建寿宁人,副教授,博士,主要从事水利水电工程及水力学研究。E-mail:zhangting0918@126.com52交汇口三维流动特性进行了实验研究,也给出了较为详细的流场参数。可见,对交汇口水流
7、实验研究或一维理论研究为人们认识交汇口水流形态并进行工程设计提供了[11]整体的信息。另一方面,由于交汇口附近局部水流形态的影响因素众多,其水力特性极为复杂,数值模拟方法具有易于获得全域水力特性分布规律和改变体型参数的特点,在获得复杂水流水力特性局部[13~16]或精细流场信息研究方面成为有效的研究手段之一。以往大多采用平面二维或水深平均二维模型及刚盖假定对交汇口进行模拟,但由于交汇口局部水力要素变化梯度较大,刚盖假定方法往往导致较[17]大误差,因此需要对自由面的变化进行正确捕捉。茅泽育等应用三维显式代数应力模型
8、对交汇水流[18]进行了模拟,自由面采用VOF方法捕捉;武蓉等应用水深平均H-L二维模型及k-二维模型进行研[19]究,水深方向采用静压假定,取得了较好的成果;Huang等应用雷诺应力三维紊流模型进行研究也取得了很好的成果。本文针对明渠交汇口水流明显的三维流动特性,采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和k-涡黏紊流模型模拟交汇口下游附近
