闸站水利枢纽导流墙底部水流切应力的数值仿真

闸坝水力学特性的三维数值模拟钟海祥;李彬;徐爱兵【摘要】In the paper,standard k-εdual equation turbulence model,VOF method based on water-gas two phase flow, and FLOW3D software are adopted for numerical simulation on gate dam.Gate dam discharge abilities under different water levels,water surface line of gate chambers and stilling basin in different parts,flow velocity,pressure and other important hydraulic elements are obtained.The results shows that numerical calculation can reach the effect of model test to a certain extent.%本文采用标准k-ε双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法，运用FLOW3D软件对闸坝进行数值模拟，得出不同水位下的闸坝泄流能力，以及不同部位的闸室及消力池水面线、流速、压力等重要水力学要素。

结果表明数值计算在一定程度上可以达到模型试验的效果。

【期刊名称】《中国水能及电气化》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P52-56)【关键词】水气两相流;闸坝;数值模拟;泄流能力;水力学要素【作者】钟海祥;李彬;徐爱兵【作者单位】中水电海外投资有限公司，北京100048;中水电海外投资有限公司，北京 100048;中水电海外投资有限公司，北京 100048【正文语种】中文【中图分类】TV135Key words: water two-phase flow; gate dam; numerical simulation; discharge capacity; hydraulics elements1 概述某闸坝设2孔泄洪闸，1孔泄洪冲沙闸，泄洪闸及泄洪冲沙闸过流面净空尺寸均为12.0m×21.0m(净宽×净高)，泄洪冲沙闸后布置深4.5m、长36m消力池。

弯道河段闸坝式枢纽水力特性三维紊流数值模拟赵静;刁明军【摘要】采用三维紊流数学模型模拟某个处于弯道上的闸坝式水电枢纽工程,得到泄流能力、水面线、流速等水力参数的分布规律,并将计算结果与水工模型试验实测数据进行比较,两者吻合良好,表明对水面波动不大,或者水面波动虽然相对较大,但掺气量不大的自由面水流,采用本研究方法能够得到较高的模拟精度,取得令人满意的计算效果.本文的研究方法可以在一定程度上代替模型试验,对工程泄水建筑物方案的优选有重要作用.【期刊名称】《西南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(037)004【总页数】5页(P661-665)【关键词】弯道水流:枢纽:水力特性;三维;紊流数值模拟【作者】赵静;刁明军【作者单位】四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都610065;四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都610065【正文语种】中文【中图分类】TV14水利水电工程传统的研究方法是水工模型试验, 其可靠性已被大量的工程实践所验证, 并得到广泛应用.但物理模型试验也存在一些不足之处, 如存在比尺效应[1], 变换方案慢、试验费用高, 为避免工作量太大, 测点的布置数量不可能太多, 同时模型有些部位存在测点布置困难的情况, 难以全面完整地得到试验研究对象的水力特性参数分布.近年来, 随着计算机硬件、紊流数学模型的飞速发展, 数学模型以其可以直接模拟工程原型、变换方案灵活、花费相对较少、获得信息完整全面的优势得到了越来越多的设计人员的重视.通过数学模型模拟, 可以获取模拟对象区域内的任意点的水力特性信息, 同时多核 CPU的并行计算大大提高了计算速度, 采用紊流数学模型对工程原型进行模拟、仿真将是水利水电研究的重要发展趋势.在水利水电工程中, 因为地质、取水等原因需要将枢纽布置在弯道河段的工程较为常见, 因而弯道水流是水利水电工程中常见的水力现象, 其流态特性较顺直或者相对顺直河道有较大的差异, 如存在弯道环流、螺旋流以及水面横比降[2-4]等.本文结合某一布置在弯道河段的闸坝式水电枢纽进行数值模拟研究, 该工程坝轴线位于弯道下游转弯后的顺直段（见图1）, 闸前河道呈近90°转弯,枢纽河段弯道水流特征明显, 同时所在河段较狭窄, 属于典型的“V”型河道[5], 而流量却较大, 校核流量达到14100m3/s, 低水头、大流量泄洪消能问题十分突出；工程枢纽由右岸厂房和厂房左侧十孔泄洪闸组成, 闸孔宽度均为10m, 采用平底宽顶堰, 闸底高程270m, 闸后设置四个消力池.本文将对该枢纽工程进行三维动态仿真数值模拟,研究其水力特性, 同时通过物理模型试验（该水电站枢纽模型按重力相似准则设计, 模型比尺 1：60, 为正态模型[6].）对数值计算成果进行验证, 旨在探索通过数学模型模拟工程枢纽, 从而代替模型试验的可能性.采用三维紊流数学模型VOF法[7]分别对500年（校核工况）、200年及50年（设计工况）一遇三种洪水频率, 布置枢纽后十孔泄洪方案的泄流能力、流场进行了三维紊流数值模拟.数值模拟的范围：坝轴线上游800m, 下游700m（见图2）.边界条件的设定, 上游进口根据计算工况对应的流量和过流面积, 求得进口流速, 将进口边界设置为速度进口；下游控制断面根据设计院提供的水位流量关系, 设置为模拟流量下对应的水位, 由于模拟对象存在自由水面, 因而上面边界设置为与大气相通的开敞边界.本文采用k-ε双方程紊流模型, 其连续方程、动量方程和k、ε方程[8]分别表示如下：式中, ρ和μ分别为按体积分数平均的流体密度和分子粘性系数；p为修正压力；μt为紊流粘性系数, 它可由紊动能k和紊动耗散率ε求出：上列方程组中, Cμ为经验常数；σk和σε分别为k和ε的紊流普朗特数；G为生成项, 它由下式定义：另外, 以上各式中的常数取值见表1.VOF模型的ε−k紊流模型方程中, ρ和μ是体积分数的函数.它们可由下式表示：式中, wα为水的体积分数, wρ和aρ分别水和气的密度, wμ和aμ分别为水和气的分子粘性系数.通过对水的体积分数wα的迭代求解, ρ和μ值都可由式（5）、（6）求出.由于枢纽处于弯道河段, 计算结果显示弯道水流特征明显, 水流存在横比降, 右岸属于凹岸, 水位明显的要高一些, 左岸属于凸岸, 水位要低一些, 闸孔的泄流能力, 从左到右逐步增强, 受弯道水流的影响, 左岸靠岸边一个闸孔的泄流能力很小.表2分别是三种工况（500年、200年、50年一遇洪水频率）枢纽泄流能力的数值模拟计算值和模型试验实测结果对比, 表中的相对误差为模型试验值与数学模型计算值之差除以闸前水深后的百分数.从表中可以看出, 计算结果与试验值吻合良好, 相对误差较小.根据分析, 计算值与模型试验值之间出现的误差, 主要原因在于：三维建模与实际情况存在一定的差异, 以及计算机计算能力有限, 网格不可能划分得很密, 导致计算产生一定误差；试验时水面波动较大, 存在测量误差；模拟计算点与试验测点可能不完全重合, 也会导致模拟结果与试验测得值有一定误差.图4-图5分别是三种工况（500年、200年、50年一遇洪水频率）的闸前水流流场数值模拟结果.从图中可以看出, 计算得到的流场分布、流态如回流出现的位置和大小等与模型试验结果基本吻合, 数值模拟直观地反映了闸前水流的流态, 较容易地体现了水流主流的流向、流速, 闸前左、右岸出现的回流现象；较计算而言, 模型试验相对较为耗时, 且受主观因素影响较大, 甚至有些测点布置不当会导致试验结果存在一定误差.总体而言, 本文的模拟精度令人满意, 可为工程设计提供更充分、科学的依据.本文数值模拟结果与模型试验实测值相对误差基本在 2%以内, 模拟精度较高.本文的研究结果表明, 对水面波动不大, 或者水面波动虽然相对较大, 但掺气量不大的自由面水流, 采用本研究方法能够得到较高的模拟精度, 取得令人满意的计算效果.随着紊流数学模型的快速发展和应用, 根据目前计算机硬件发展水平及 CFD前处理建模软件的发展现状, 还可以从以下两方面来提高数学模型的计算速度及模拟精度, 一方面由于目前计算机的硬件配置提高得很快, 可以说是日新月异, 多核 CPU的应用可以通过并行计算, 大幅度提高计算速度,因而模拟对象的网格可以进一步加密,尤其是在处理自由水面等重点关心的模拟区域, 可以沿水深方向, 对靠近水面至水面以上一定高度范围内的重点关心区域网格进行加密, 有助于更准确追踪自由水面；另一方面可以通过使用河道地形的等值线、高程控制点来直接建模, 而不是采用以往的大断面法建模, 这样所建模型的边界与实际情况更吻合, 无疑会明显提高计算精度.本文的研究对象具有一定的代表性, 研究方法可在一定程度上可代替模型试验, 研究成果对大量类似工程具有参考借鉴意义.【相关文献】[1] 南京水利科学研究院, 水利电力科学研究院.水工模型试验[M] .北京: 水利电力出版社, 1985.[2] 刁明军, 杨海波.弯道水力学研究现状与进展[J].西南民族大学学报: 自然科学版, 2007(3):596-601.[3] 罗索夫斯基.弯道水流的研究[J].尹学良,译.泥沙研究,1958,3(1):83-95.[4] 张红武,吕昕.弯道水力学[M].北京:水利电力出版社,1993.[5] 钱宁,张仁,周志德.河床演变学[M].北京:科学出版社,1987.[6] 吴持恭.水力学[M].北京: 高等教育出版社, 2003.[7] 董耀华.弯道水流的三维数值模拟[D].武汉:武汉水利电力大学,1990.[8] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京: 清华大学出版社, 2004.。

水电秋机电技术Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station 第44卷第5期2021年5月Vol.44 No.5May.202161某水电站泄洪底孔水力学特性的数值模拟研究王永成，周涛（江西省水务集团有限公司，江西南昌330000）摘要：对于不同水文地质条件选择合理的泄洪建筑并对其进行实验模拟以及数值计算模拟是保护下游水利设施的重要步骤之一。

本文利用有限元软件建立泄洪底孔结构并对其水力特性进行模拟分析，将有限元软件模拟结果与实验所得结果进行对比以验证有限元模型的可靠性以及适用性，分别设置设计工况和校核工况，对比两个工况下的计算结果以说明有限元模型模拟结果没有偶然性。

结果表明，选用的泄洪底孔模型的模拟结果与实验结果 拟合较好,挑流鼻坎的设置有效的降低了下游的洪水水位。

关键词：泄洪建筑;泄洪底孔;模拟；实验中图分类号:TV131 文献标识码：B 文章编号:1672-5387（2021）05-0061-03DOI : 10.13599/ki.l 1-5130.2021.05.0191引言近几年，由于洪水的影响而导致水工结构建筑 发生破坏越来越多叫泄洪建筑是水工建筑上游用来排泄多余洪水、保护其下游水利枢纽的重要结构。

泄洪建筑物少］主要有溢洪道、溢流坝、泄水口等类 型,针对不同的水文地质条件与泄洪要求需要选择合适的泄洪建筑形式，因此研究泄洪建筑在运行过 程以及施工［4'5］过程中的水力学特性、分析当地水 流条件对泄洪建筑的影响便成为研究重点之一，并且研究结果将对保护水利枢纽的水工结构建筑有重 要的意义。

本文建立泄洪底孔结构模型并采用有限元软件模拟其水力特性,将结果与实验结果作对比以验证模 拟的可靠性，并研究不同工况下泄洪底孔水力特性的差别。

2数值计算模型如图1所示，某水电站泄洪底孔的计算区域建立坐标系。

X 轴为水流方向，取上游35.000 m 断面到下游187.300 m 断面为计算区域；Y 轴为水流断 面方向，取值为0~46 m ； Z 轴为水位高程，取值 为1 230.0-1 294.0 m o 上游计算域的左边界为速度入口（水流项）及压力入口（空气项），其中速度 为v=0.44 m/s,总压强为标准大气压，上边界为压强入口。

河海大学硕士学位论文基于ANSYS的水闸动力特性及内力分析方法研究姓名：关淑萍申请学位级别：硕士专业：水工结构工程指导教师：张燎军20060501第三章考虑流固耦台的ｕ型槽振动特性研究ｌ洲ｌ㈣－㈣Ｒ避０蓉－５０∞一ｌ∞∞一蜡００Ｂ５４３２ｉ／／／／／彪／散ＡＡ窳一．．阀．烈．烈．风．Ｗ树聊聊ｂｔ１ｌｆＶ够学Ｅ时同ｔ＾图３．９典型点动水压力时程曲线（２）不同时刻动水压力分布图图３．１００．８秒动水压力分布图（Ｐａ）图３．１１１．８秒动水压力分布图（Ｐａ）图３．１２２．８秒动水压力分布图（Ｐａ）河海大学硕士学位论文图３．１３３．８秒动水压力分布图（Ｐａ）图３．１４４．８秒动水压力分布图（Ｐａ）对苄Ｎ、、＼≮飞吣Ｎ忒飞。

Ⅵ器——●一ｏ８ｓ—｛Ｌ１８ｓ——＿卜－２．８ｓ——・卜＿３８ｓ—｛ｂ４８ｓ０２００００４００００６００００８００００１０００００１２００００１４００００动水压力（Ｐａ）图３．１５不同时刻动水压力分布图图３．１５给出了０．８秒、１．８秒、２．８秒、３．８秒、４．８秒时刻沿结构高度动水压力分布图。

可见，动水压力的最大值发生在结构底部偏上。

８６４２Ｏ舍一Ｉ恒窭嘏河海大学硕士学位论文线变化，即ｕ（ｔ）＝０．０４ｓｉｎ（２ｚｒｔ），共计算５个荷载周期，即５秒，共１００步。

喜饕趔Ｏ１２０４．５ｉ，Ｓ２．５０．５时ｉｉｌｔ／ｓ图３．１８输入的水平激励“（ｆ）＝Ｏ．０４ｓｉｎ（２ｎ＇ｔ）０秒时刻０．５秒时刻０．２５秒时刻０．７５秒时刻第三章考虑流固耦合的Ｕ型槽振动特性研究１．０秒时刻１．５秒时刻１．２５秒时刻１．７５秒时刻２．０秒时刻图３．１９水体晃动过程图从以上水体晃动过程可以看出，在水平位移激励下，水体晃动沿ｕ型结构两边非常明显，近似沿结构中心轴线上下波动，整体晃动不具有明显的规律性。

河海大学硕上学位论文３．４不同方法的结果分析验证为了便于比较分析，仍建立二维简单模型来近似模拟。

直接祸合分析网格剖分如图３．２２所示。

水利工程中的流场数值模拟研究随着科技的不断发展，数值模拟已经成为了研究水利工程中流场变化规律的重要手段。

传统的实验研究需要耗费大量的人力、物力和财力，而且很难保证实验结果的准确性和可重复性。

因此，利用数值模拟研究流场变化规律成为了一种非常便捷和高效的方法。

一、数值模拟在水利工程中的应用水利工程是指为了解决水资源的开发和利用所建设的各种水利设施和工程的总称，包括水电站、堤防、渠道、水库等。

而这些工程的建设与运行，都需要对其内部流场进行一系列的研究和优化。

利用数值模拟，我们可以对这些工程中的流场进行定量的模拟和分析，得出更加准确和客观的结论。

例如，我们可以通过数值模拟，研究水电站中水轮机旁的涡流起伏，以便优化水轮机的叶片设计及放置位置。

又如，我们可以通过数值模拟，预测特大洪水对可调式洪闸的压力和流量的影响，以便查看洪水发生时洪闸的运行状态等。

二、流场数值模拟的基本原理流场数值模拟是指将流体流动的控制方程通过数值离散化的方法求解，得到流场的数值解。

这个过程可以分为三个步骤：模型构建、方程求解和结果分析。

其中，模型构建是指根据研究对象，将实际问题转化为数学模型；方程求解是指利用对流、扩散、非线性等物理学原理和数学方法，通过将控制方程离散化求解出流场各点的数值解；结果分析则是根据数值结果，对流场的物理特性、特征参数等进行分析。

三、流场数值模拟的关键技术1.数值离散化数值离散化是流场数值模拟的基础，是将流场的连续物理量，如速度、压力等，通过网格点离散化成离散的数值量，以便求解控制方程。

数值离散化的质量是影响数值模拟结果的重要因素。

2.数值稳定性在进行流场数值模拟时，我们需要保证数值计算的稳定性。

数值稳定性是指在求解控制方程时，数值解不会因时间或空间步长的增加而发生不稳定的情况。

因此，我们需要采用适当的数值格式和数值参数，使计算结果具有稳定性和收敛性。

3.边界条件处理边界条件是指数值模拟的边界区域或离散点的物理状态参数，如速度、压力等的输入和输出。

三维流场水力数值模拟在某大型市政原水取水泵站设计中的应用随着城市发展的日益加快，水资源逐渐短缺，原水取水泵站成为城市供水系统中的重要组成部分。

在原水取水泵站的设计中，为了确保泵站的运行效率和安全性，需要对泵站的设计进行充分的研究和优化。

三维流场水力数值模拟作为目前最为先进的数值计算方法之一，已经被广泛应用于泵站的设计和优化中。

本文将从三维流场水力数值模拟的基本原理、在泵站设计中的应用、优势和存在的问题等方面进行探讨。

一、三维流场水力数值模拟的基本原理三维流场水力数值模拟是基于Navier-Stokes 方程和连续性方程的计算流体力学数值分析方法。

在模拟中，通过将流场离散化为小单元，利用有限差分、有限体积和有限元等数值方法，将流场的连续性方程、动量方程和能量方程分别离散化，构建数学模型，然后通过计算机求解来得到流场的各个参数。

在三维流场水力数值模拟中，需要考虑如下的主要因素：1.流体的入口速度：泵站所取水源的流量和压力是决定水流动能力的关键因素，在模拟中需要预先给定。

2.流体的流动路线：流体在流场中的流动状态受到结构和流动环境的影响，需要通过模拟来得出。

3.流体与结构间的相互作用：考虑到泵站内部设备的阻力、摩擦等因素，需要将它们纳入到计算范畴之中，从而模拟出流场中流体在不同条件下的流动规律。

二、三维流场水力数值模拟在泵站设计中的应用在泵站的设计过程中，通过三维流场水力数值模拟可以获得以下信息：1.流体在不同工况下的流速、压力和温度等参数：通过计算得到流体在泵站内的流动状态和特性，进而得到各种参数。

这些参数对于泵站的设计和优化提供了有力的支持。

2.设备的性能和优化：通过三维流场水力数值模拟可以计算出泵站内各个设备的效率和耗能比，进而为优化设计提供依据。

3.设备的安全和运行状态：通过模拟可以容易地观测到泵站内各个设备的工作状态，以及在不同工况下的稳定性。

这些信息对于泵站的运行和维护非常有用。

三、三维流场水力数值模拟的优势和存在的问题三维流场水力数值模拟具有如下优势：1.模拟精度高：通过数值模拟，可以得到比实验精度更高、更全面的数据。

低水头水闸消力池三维数值模拟陈亮;王月华【摘要】Combining with the design and test data of a low head sluice,this paper used calculation software to simulate three-dimensional flow of sluices stilling basin. The study optimized the original design by adjusting the stilling basin,and simulated the typical working conditions. The results such as sluice discharge capacity,flow regime,flow velocity distribution,and water surface line are consistent with the physical model observations. Based on this,this paper analyzed the energy dissipation rate of stilling basin by using mathematical model,revealed that secondary stilling basin can improve the energy dissipation efifciency of water jump with low Freund number;the optimization scheme is effective and feasible.%结合某低水头水闸设计与试验资料，采用计算软件模拟水闸消力池三维水流。

通过调整消力池对原设计方案进行优化，对典型工况进行数值模拟。

得到的水闸过流能力、水流流态、流速分布、水面线与物理模型观测值较为吻合。

水利枢纽温度应力仿真分析结构特征点的温度历时曲线见图２。

由图２可知，对于Ａ、Ｂ等结构内部点温度一般在浇筑后的５～８ｄ达到最大值，相对于表面Ｃ点，温度变化明显滞后，且年变幅较小。

由于结构孔洞较多，因此整个结构在浇筑完毕后的第２年夏天边界温度呈现出周期性变化的特征。

结构在施工期的最高温度除边界附近外大部分在３１．０℃以上，较高温度区域位于结构后半部分中上部以及结构顶部，最高温度达４１．１℃。

预留槽部位由于浇筑温度低，且在低温季节浇筑，因此温度较低，最高温度约为２７．０℃；后浇带部位混凝土体积相对较大，最高温度达到３６．４℃。

３结构温度应力主体混凝土（除后浇带及预留槽部位外）浇筑完毕后１个月，结构较大σｘ、σｙ应力基本位于下游流道表面附近，σｘ最大应力达到２．２６ＭＰａ，σｙ最大应力达到１．９７ＭＰａ。

产生拉应力的原因是边界温度降低使表面附近混凝土收缩。

结构全部浇筑完毕后１个月，结构的最大应力基本位于底板内部，在上、下游方向各有一个σｘ应力较大区，最大值分别为２．０、２．４ＭＰａ，主要原因是此前底板内部混凝土一直处于降温阶段，使得内部产生顺流向拉应力。

从结构最大应力看，除结构边角位置应力较大外，在上游和下游的两个区域顺水流向应力较大，分别为２．３、２．５ＭＰａ，在中间后浇带部位应力较小，基本上为压应力。

而不设后浇带时［４］，整个结构内部上、下游方向均有较大的拉应力，最大值均超过３．０ＭＰａ，且出现大拉应力的范围较大。

由此可见，设置后浇带使得结构最大应力及大拉应力区范围都有所减小。

需要注意的是，在后浇带部位产生较大的竖向拉应力，最大应力达到３．８ＭＰａ，原因是后浇带部位浇筑时，两侧混凝土已经浇筑３个月以上，弹模较高，对新浇混凝土在竖直方向的收缩产生了较大约束作用，从而在竖直方向产生了较大拉应力。

后浇带不同浇筑时间对结构应力的影响设置后浇带后，结构顺水流向的应力有所减小，但在后浇带部位有较大的竖向拉应力。

导水机构中剪切力及摩擦力矩仿真试验研究智连玮;杨旭【摘要】混流式导水机构中，通过导叶臂与连接板之间的剪断销与摩擦轴承作为导水机构的“保险丝”，当机组出现异常时，通过对剪断销“剪断”和摩擦轴衬的摩擦力，来保证导水机构不受到持续损害，文中探讨一种对剪切力和摩擦力的实验方法。

【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】2页(P140-141)【关键词】剪切力;摩擦力;摩擦轴衬;剪断销【作者】智连玮;杨旭【作者单位】哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040;哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040【正文语种】中文【中图分类】TM312;TP391.9水轮机导水导叶的开关，依靠导水机构接力器驱动与导叶轴颈相连接的导叶臂、连接板完成。

导叶臂、连接板的连接则由摩擦轴衬和剪断销来完成，剪断销的作用类似于电闸中的“保险丝”。

而摩擦轴衬的作用，则主要是保证导水关闭过程中，如导叶出现问题无法关闭，为避免对接力器造成进一步的伤害，“保险丝”剪断销会因受到过大剪切力被“剪断”，连接板势必与导叶臂产生进一步的圆周旋转，这个力将是很大的，如果任其旋转，很可能对周边设备产生进一步伤害，摩擦轴衬的作用则会阻止这种伤害的产生。

通常情况下，剪断销的尺寸和摩擦轴衬材质及尺寸的选择，都是经过理论计算，但是在实际应用中，如何保证其有效，在导水机构正式装配前对摩擦力和剪切力进行实际值测量，为设计部门调整其理论设计值提供依据是十分重要的，采用何种工装和方法对其进行准确测量，是我们需要进行解决的。

试验要求如下：M36螺栓数量为9；电站运行时可遇最大水力矩为55 000 N·m；摩擦试验可接受的滑动力矩为220 000～330 000 N·m。

试验结果及转化计算：力臂值La＝600mm；千斤顶选用额定顶起力为100 t的手动泵式液压千斤顶（活塞杆直径90 mm、活塞直径126mm）；施加55000N·m 力矩时，千斤顶手动泵的油压值7.2 MPa；施加220 000 N·m力矩时，千斤顶手动泵的油压值28.8 MPa；施加330 000 N·m力矩时，千斤顶手动泵的油压值43.2 MPa；螺栓与圆盘的把紧使用德国高效液压扳手。