渠道水槽水力特征模拟

0引言

作者曾在底宽等于0．2m、渠深等于0．35m、边坡系数等于1的梯形渠道上，进行了多种尺寸的圆柱形量水槽试验研究，由于物理模型试验研究的局限性，所得结论的适用范围较窄［1］。为了确定较大尺寸范围圆柱形量水槽的特性，克服物理模型试验在时间和经费上的困难，有必要对圆柱形量水槽三维水流运动进行数值模拟研究。

采用数值模拟方法研究量水槽水力特性，国内外已有一些报道，这些研究［2－5］均采用标准k－ε紊流模型计算。文献［6］对标准k－ε紊流模型、RNGk－ε紊流模型和Reynolds应力紊流模型作了比较研究，对于像量水槽水流这类较复杂的流场，标准k－ε紊流模型的计算精度不高。文献［7］采用RNGk－ε紊流模型，对矩形渠道半圆柱形量水槽水流作了数值模拟研究，但在边界条件给定上还存在一些问题，特别是紊流长度尺度的给定。在此基础上，采用RNGk－ε紊流模型，运用流体体积分数法（VOF法）确定自由表面位置，数值模拟了收缩比等于0．709的圆柱形量水槽三维水流运动，并将数值模拟结果与试验结果进行了比较。

1数值方法

采用RNGk－ε紊流模型计算。

1）连续性方程

2）动量方程

3）紊动能k方程

4）紊动耗散率ε方程

上述各式中：xi（i＝1，2，3）为笛卡尔坐标系坐标；ui为沿i方向的速度分量；fi为沿i方向的质量力；p为压力；ρ＝αaρa＋αwρw，ρa、ρw分别为空气和水的密度，αa、αw分别为空气和水的体积比；μ＝αaμa＋αwμw，μa、μw分别为空气和水的动力粘性系数。

5）自由表面处理及边界条件

选用追踪自由表面较为简便的流体体积分数法即VOF方法计算。进口边界分别由空气进口和水流进口二部分组成。水流进口给出水深H、进口流速分布、紊动能k和紊动耗散率ε［8］，空气进口设为压力边界，压力取大气压。出口边界为压力边界。在固壁边界上，给定无滑移边界条件。

2计算结果及分析

计算的梯形渠道长10m，底宽0．2m，平底，边坡系数为1。圆柱直径0．16m，圆柱中心距渠道进口断面4m。计算网格采用非结构网格，网格节点58765个，网格单元292482个。渠道进口给定流量，并给出初始的水深。圆柱形量水槽出流均为自由出流。在自由出流情况下，圆柱形量水槽迎流面驻点水深Hs与流量Q存在着很好的相关关系，实际测流时，只要测出驻点水深，就可以由相关关系算出流量。对多个不同流量的圆柱形量水槽水力特性进行了数值模拟，计算的流量范围是0．012～0．056m3／s。通过数值模拟，可获得对应流量的驻点水深、水面位置、三维水流流态等圆柱形量水槽水力特性。

圆柱形量水槽水力特性的数值模拟结果总体上是合理的。量水槽进口断面初始水深给定为0．30m，进口段水面下跌，水流经过调整，水位回落到与给定流量相适应的数值，水面逐渐趋于平稳。在流量Q＝0．045m3／s时，渠道的临界水深等于0．137m，圆柱前的水深在0．22～0．24m，水流处于缓流状态（见图1）。水流经过圆柱后，水面急剧下跌，水流由缓流变成急流，并在圆柱后产生水跃，水流处于强力的紊动状态。水跃后水流逐渐趋于平稳，水深在0．16～0．14m，水流处于缓流。从图1看到，圆柱形量水槽中心纵剖面上水面线位置的计算值与实测值，在水流较稳定的流段比较接近，在水跃段相差较大。在圆柱前纵向坐标x＝3．20、3．70、3．92m处，水面线位置的计算值与实测值的相对误差分别为2．53％、1．08％、1．64％。由图2可以看出，驻点水深（Hs）的计算值与实测值吻合较好。共进行了16个不同流量的量水槽水流数值模拟，模拟结果中，Hs的计算值与实测值的最大相对误差为4．11％，最小相对误差为53％。

3结论

采用RNGk－ε紊流模型，运用VOF方法处理自由水面，数值模拟了圆柱形量水槽三维水流运动。从总体水流流态、自由水面位置、驻点水深等方面，对数值模拟结果和试验结果进行了比较。研究结果表明，采用3结论采用RNGk－ε紊流模型，运用VOF方法处理自由水面，数值模拟了圆柱形量水槽三维水流运动。从总体水流流态、自由水面位置、驻点水深等方面，对数值模拟结果和试验结果进行了比较。研究结果表明，采用3结论采用RNGk－ε紊流模型，运用VOF方法处理自由水面，数值模拟了圆柱形量水槽三维水流运动。从总体水流流态、自由水面位置、驻点水深等方面，对数值模拟结果和试验结果进行了比较。研究结果表明，采用3结论采用RNGk－ε紊流模型，运用VOF方法处理自由水面，数值模拟了圆柱形量水槽三维水流运动。从总体水流流态、自由水面位置、驻点水深等方面，对数值模拟结果和试验结果进行了比较。研究结果表明，采用的数值模拟方法，能够有效地模拟圆柱形量水槽水力特性，模拟精度能够达到量水设备要求的精度。