帶閘墩溢流壩控泄工況二維與三維數值模擬

李 靜,李 丹,姜伯樂

(1.長江水利委員會長江科學院,湖北 武漢 430010;2.武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430072)

目前對帶閘墩溢流壩過壩水流的三維數值模擬比較少見,這主要是由于三維模擬的計算網格單元數急劇增加,閘墩的存在加大了網格劃分的難度并且使整個流場變得異常復雜。因此對過壩水流的研究工作通常較少考慮閘墩對流場的影響,而直接以二維流場為研究對象[1-3]。文獻[4]通過分別計算過壩水流和閘墩繞流2個二維模型來近似模擬三維帶閘墩的溢流壩流場,為解決三維過壩水流問題提供了一條途徑,但是將二維數值模型應用于實際帶閘墩溢流壩過壩水流計算還有一定的差距。主要表現在閘墩的存在對水面線位置、壩面壓力、溢流流量等均產生顯著的影響。文獻[5]利用有限體積法對溢流壩三維湍流場進行數值模擬,但沒有考慮閘墩的影響。文獻[6-14]對溢流壩及湍流場進行了數值模擬研究。筆者以銀盤水電站帶閘墩溢流壩為例,以雷諾時均方程為基礎,利用k-ε紊流模型模擬湍流流動,采用流體體積(VOF)法確定自由水面線的位置,采用有限體積法進行離散求解,并與物理模型試驗結果進行對比,比較準確地給出了過壩水流的水面線位置及壩面壓力分布,可為泄水工程的水力設計提供比較可靠的設計依據。

1 數學模型

1.1 模型控制方程

VOF模型適用于跟蹤捕捉兩相或多相流中互不穿透流體間的界面變化。……