收稿日期:2004-12-05
作者简介:陈大宏(1962-),男,广西容县人,副教授,主要从事水力学和水环境领域的研究.
文章编号:1671-8844(2005)05-054-03
溢流堰水流的三维模拟
陈大宏,陈 娓
(武汉大学水利水电学院,湖北 武汉 430072)
摘要
:工程上溢流堰的过流能力以及堰面压强分布的确定多采用水工模型试验 . 利用三维 的流动 数学模 型、k-ε
模型封闭紊流、VOF 方法追踪自由表面,对过堰流动进行了数值模拟 . 与模型试验结果对比表明,数值模拟方法
是可行的 .
关键词
:溢流堰;流量系数;三维流动模拟
中图分类号
:TV 135. 2
文献标识码:
A
Three-dimensional simulation of flow over weirs
CHEN Da-hong,CHEN Wei
(School of Water Resources and Hydropower,Wuhan University,Wuhan 430072,China)
Abstract:In engineering practices,the hydraulic model test is the common way t o determine overflow
capacity of a w eir and pr es sure distri butio n on t he w eir . In this paper,numerical simulation is conducted
to analyze the flow over weirs. The numerical analysis is based on the three-dim ens io nal R ey no lds av er-
aged Navier-Stokes equations with the standard k-ε turbulence model. To track free surface,the VOF
method is applied . The comparison with experiments shows that the numerical simulation approaches are
feasible.
Key words:weir;discharge coefficient;numerical simulation of three-dimensional flow
溢流堰是水利枢纽中广泛应用的水工建筑物
之一,起挡水和泄水作用 . 堰面形状的改变会影响
堰的过流能力及其壁面压强等各种水力学指标,极
端情况下,会引起水流发生左右摆动,堰面出现负
压而产生空化、空蚀现象,所以研究溢流堰的水力
特性有着重要的意义 .传统的溢流堰水力特性分析
方法主要是依靠物理试验,包括原型观测和模型试
验,尤其是后者,在以往的工程设计及水力学研究
中起到极为重要的作用 . 但也应该看到,这种方法
费工费时,模型试验还存在比尺效应的问题. 近年
来,随着数值计算方法的日益成熟和计算机硬件技
术的飞速发展,使利用数值方法分析复杂的流动成
为可能 .已有少数研究者利用这一方法分析水利工
程中一些典型的流动现象,如丁坝、桥(闸)墩绕流、
堰流等,李志勤等用 VOF 方法模拟了溢流丁坝附
近的流场
[1 ]
,汪德爟等利用 VOF 方法对溢流坝过
流数值模拟作了一些讨论
[2]
,Sava ge
[3 ]
和 Unami
[4 ]
分别用三维和二维的数值模型研究曲线堰上的水
流流动,Savage 应用了商业软件 Flow-3D 而 Una-
mi 则采用了深度平均的运动方程 . 由于这些流动
现象通常具有较为复杂的几何边界,而且含有未知
的自由表面,使得对它的数值模拟非常困难,虽己
有一些研究成果,但并不多见. 本文的目的在于应
用数值计算方法探讨数值分析过堰水流的可行性 .
1 数学模型及数值方法
三维水流流动可用雷诺平均的连续性方程和
动量方程来表示:
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