水洞沟水库二维水流运动数值模拟

doi：10.3969/j.isso.1006-7175.2021.03.003溢洪道水流7二维有限体积法数值模拟陈松（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐537000）［摘要］溢洪道水流是典型的水力学问题，一般是重力驱动的自由面水流。

溢洪道水流基本上是在坝顶附近快速变化的水流，在垂直方向上流线明显弯曲。

过顶流时同时发生两个现象，即湍流边界层沿剖面的形成并且逐渐增厚，主流流速逐渐增大，主流深度逐渐减小。

溢洪道水动力学可以通过物理模拟或数值模拟获得。

通过介绍一种数值模型及其在溢洪道顶部断面水流水力特性研究中的应用，针对溢洪道顶部断面流速分布、压力分布和流量特性的模拟来研究溢洪道顶部断面水流的水力特性。

结果表明，数值模拟结果与物理模拟结果相吻合,说明或值模拟软件作为一种可用于灵敏度分析的工具，是研究溢洪道等泄水建筑物水流运动规律的有效方法。

［关键词］溢洪道;数值模拟；有限体积法（FVM）［中图分类号］TV651.1［文献标识码］A［文章编号］1006-7175（2021）03-0013-051概述溢洪道和其他泄洪建筑物设计的主要目的是安全地将洪水从大坝输送到下游河道,并防止大坝漫顶，特定类型溢洪道的选择和设计基于项目的特定目的、水文、泄洪要求、地形、地质、大坝安全和项目经济。

由于提供高效输送水力和结构坚固的溢洪道对大坝的安全以及下游河流的生命和财产非常重要，因此水力模型被广泛用于解释水力现象的特性［1］。

在综合考虑泄流能力、压力、水面线、消能布置等水力设计因素的情况下，对溢洪道水高设计，溢洪道度对大坝的经济分析和安全运行起着重要作用。

目前,世界范围内大坝安全的主要问题是提供足够的溢洪道泄洪容量，但许多水坝设计和建造于22世纪66和77年代,水文信息有限。

当时设计的许多水坝的溢洪道容量不足，可能会遇到潜在的问题，如在洪水条件增加的情况下，溢洪道顶部产生过大的负压，从而威胁大坝安全，因此溢洪道水动力学知识对溢洪道的安全设计具有重要意义J］。

回流区水流运动二维数值模拟
李绍武;郑建军
【期刊名称】《港工技术》
【年(卷),期】2006(000)004
【摘要】建立了基于无结构网格有限体积法的平面二维水流数学模型.数值方法上,采用有限体积法离散方程,并采用基于黎曼解的Osher格式计算有限体积界面通量:采用三角形单元对计算区域进行剖分;提出了一种确定紊动黏滞系数的方法.用此模型对平面上突扩引起的回流区竖轴环流进行了模拟,流速断面分布的计算结果与实测结果接近,再现了因主、副流剪切层不稳定引起的涡脱落、涡向下游输移以及被竖轴环流吞并的过程,预报了回流区的水面共振现象.
【总页数】3页(P8-10)
【作者】李绍武;郑建军
【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072
【正文语种】中文
【中图分类】O357.52;O241.82
【相关文献】
1.不同弯度水渠二维水流运动数值模拟研究 [J], 杨程
2.水洞沟水库二维水流运动数值模拟 [J], 杨程;李春光;景何仿;吕岁菊
3.黄河大柳树-沙坡头河段典型弯道水流运动平面二维数值模拟 [J], 景何仿;李春光
4.回流区水流运动三维数值模拟 [J], 张华庆;金生
5.方腔回流区水流运动特性三维数值分析 [J], 张修忠;王光谦
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基于二维水动力学模型的洪水演进数值模拟刘海娇;苑希民;杨敏;李其梁【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2013(000)0z1【摘要】蓄滞洪区内的洪水具有明显的二维特性。

现从二维洪水演进模型的基本原理、数值求解、实例分析、模型的验证等方面进行了论述。

该模型由前人采用for tran自行开发的基础上进行修改和调试。

模型结合显式有限差分法和有限体积法的优点，划分的网格在计算域复杂的几何形状处理方面有极大的灵活性。

该模型可模拟洪水的淹没水深、淹没历时、洪水流速、洪水最大水深、洪水前锋到达时间等。

模型中引入通道的概念，通道被划分为多种类型，不同类型通道的计算对应不同的程序代码。

以贾口洼蓄滞洪区为例，开展蓄滞洪区淹没情况模拟计算。

通过对1954年历史洪水的模拟，验证了该模型的可行性。

有关成果为蓄滞洪区防洪减灾与应急管理提供技术支持，同时为相关领域的洪水风险分析和评价等提供借鉴。

【总页数】4页(P89-91,128)【作者】刘海娇;苑希民;杨敏;李其梁【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072【正文语种】中文【中图分类】TV133【相关文献】1.基于二维水动力学模型的洪水演进数值模拟 [J], 刘海娇;苑希民;杨敏;李其梁;2.基于一二维耦合水动力模型的横阳支江洪水演进数值模拟 [J], 陈智洋;厉海斌;李玲3.二维水动力学模型在蓄滞洪区洪水演进模拟分析中的应用 [J], 李允军;徐青;周元斌;吉庆伟;向小华4.二维数值模拟在复杂天然河道洪水演进中的应用 [J], 白寅虎; 王莉娜5.基于二维浅水方程的城市地面洪水演进数值模拟研究 [J], 冀永鹏;张洪兴;王运涛;李晋;张明亮因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于NASA—VOF模型的二维溃坝水流冲击丁坝流场模拟廖斌;陈善群【摘要】The NASA-VOF model is established based on the VOF technique. The numerical model is validated by simulating the evolution of two-dimensional dam-break flow. The results show that the NASA-VOF model has high accuracy in free-face tracking of two-dimensional dam-break flow. Moreover, the numerical model is used for simulating collapse of two-dimensional dam-break flow to a dike. The numerical results are compared with experimental data. It showes that the NASA-VOF model can accurately track the evolution process of the clam-break flow impacting to a dike.%建立了一种基于VOF自由面追踪方法的NASA-VOF数值模型，并运用该模型模拟溃坝水流的演进过程，将数值模拟结果与实验结果进行比较，结果表明NASA—VOF数值模型可良好地实现二维溃坝水流自由面的追踪．之后运用NASA—VOF模型数值模拟二维溃坝水流冲击丁坝流场，并与实验结果进行比较，结果表明NASA-VOF模型可较为精确地模拟二维溃坝水流冲击丁坝流场的演化过程．【期刊名称】《安徽工程大学学报》【年(卷),期】2012(027)004【总页数】5页(P65-69)【关键词】NASA-VOF;丁坝;溃坝水流;自由面【作者】廖斌;陈善群【作者单位】安徽工程大学建筑工程学院,安徽芜湖241000;安徽工程大学建筑工程学院,安徽芜湖241000【正文语种】中文【中图分类】TV131.2多年来溃坝问题一直是研究工作者和水利工程师所关注的问题.当河道中存在码头、丁坝、桥墩等构筑物时，溃坝水流的演进将会受到阻碍，并在构筑物附近形成绕射和反射流场，严重影响洪水的下泄；另外，构筑物本身也会受到溃坝水流的强烈冲击，构筑物的强度和稳定性将受到严峻的考验.丁坝是现代治河一个重要的工程措施，其自身的稳定性和安全性非常重要，因此模拟溃坝水流冲击丁坝流场有着非常重要的工程意义.随着计算机及数值模拟技术的迅速发展，数值模拟已成为研究丁坝问题一个重要的手段.目前针对丁坝问题的研究主要集中在非自由面条件下的丁坝绕流，国内外许多研究者对此进行了研究.李国斌［1］采用紊流三维k－ε模型闭合雷诺方程组，利用刚盖假定计算非淹没丁坝的流场；周宜林［2］应用大涡模拟方法研究了丁坝附近的水流特性；彭静［3］等将非线性紊流模型应用于丁坝的绕流场流动模拟中，并和线性模型进行了比较.本文拟建立一种基于VOF自由面追踪方法的NASA－VOF数值模型，并运用此模型数值模拟溃坝水流冲击丁坝过程，在含有自由面的条件下研究丁坝绕流流场的演进过程，为溃坝水流对丁坝冲击的灾害提供较为准确的预报.1 NASA－VOF模型1.1 控制方程NASA－VOF模型的控制方程为不可压缩流体的N－S方程和连续性方程：式中：t为时间；u，v为流体速度分量；p为流体压强；ρ为流体密度；υ为流体运动粘滞系数；gx，gy为体积加速度分量；θ为部分单元体参数，其值在0～1之间.NASA－VOF模型引入VOF函数F（x，y，t）来表示自由面，它的思想是追踪自由面的流体体积分数，代表网格中某类流体占整个网格体积的百分比.若F＝1，则该网格单元充满流体；若F＝0，则该网格单元不含流体；若0＜F＜1，则这一网格单元必定含有自由面.所以通过求解F值，即可确定自由面在哪些单元内.F随时间变化的控制方程：式（1）、（2）、（3）、（4）组成了本文所用 NASA－VOF模型的控制方程. 1.2 方程的离散有限差分离散控制方程（1）～（3）的差分网格采用交错网格单元（Staggered Grid）（见图1）.其中速度的水平分量ui＋1/2，j定义在网格右界面，垂直分量vi，j＋1/2 定义在网格上界面.压强pi，j 和流体体积函数Fi，j 均定义在网格中心.ARi＋1/2，j，ATi，j＋1/2 为网格单元右界面及上界面可通过流体的边长系数；ACi，j为单元可通过流体的面积系数，对不含边界的单元上述参数ARi＋1/2，j，ATi，j＋1/2 和ACi，j 都为1.对于部分单元体几何参数而言：ARi＋1/2，j ＝θi＋1/2，j，ATi，j＋1/2 ＝θi，j＋1/2 和 ACi，j ＝θi，j.动量方程式（1）在x方向的差分形式为：图1 交错网格单元1.3 自由面边界条件（1）压强边界条件［4］.自由面的压强一般可认为是一常数（大气压），数值计算中常取零.在具体计算中对含有自由面的单元，一般并不简单地认为它为零，而是考虑自由面在单元中的近似位置，由线性插值得到.如图2所示，由自由面的压强值（为常数）和与其相邻的某一流体单元的压强值通过线性插值得到典型自由面单元的压强值.压强插值的表达式为：图2 表面单元压强插值图其中，pi，j为自由面单元的压强值，pn为内部插值单元的压强值，ps为自由面上的压强值，η＝dc/ds为自由面单元到内部插值的距离与其到插值单元的距离之比值.（2）速度边界条件.①表面单元仅一条边与空单元相连（见图3a）.②表面单元有2条边与空单元相连.如这2边相邻（见图3b1）：如这2边相对（见图3b2）：③表面单元的3条边与空单元相连（见图3c）.④表面单元的4条边均与空单元相连（见图3d），则将它看作自由落体处理，图3 自由面单元和空单元的位置关系1.4 方程的求解本文采用共轭剩余法［5］求解方程（5）和（9），进行迭代计算.一个时间步内的求解有以下三步：①将前一时刻获得的流场结果代到N－S方程的显式差分格式（5），求得新时刻的流场近似值.②通过迭代调整每个单元的压力，使得对内部流体单元都满足连续方程的隐式差分方程式（9）.如果用s表示（10）式的右端非零值，则每次迭代时压力调整量δp为对于表面单元满足自由表面的动力边界条件，是通过表面单元的压力pi，j等于插值单元的压力pn与自由表面处的压力ps的线性插值来实现的，这时，压力调整量δp为上式中dc，ds的定义如图2所示.③应用施主与受主单元模型来计算每个单元新的F值，构造新自由面.1.5收敛性条件收敛判断条件由连续性方程（9）给定，即将迭代所得的每个单元的速度代入连续性方程时，方程右边源项的最大绝对值足够小，本文计算选取：2 算例验证参照Hirt＆Nichols的计算条件，在不计自由面张力的情况下：①边界条件：下、左边壁采用可滑移边界条件，右边壁采用连续性边界条件；②初始条件：t＝0时，全计算区域的速度场为0，水体仅受静压力作用.在笛卡尔坐标系下考虑一静止水体置于水平渠道中，水体长度L0为1个单位长度，水体宽度H0为2个单位长度，H0＝2L0.计算模型如图4所示.计算网格为x方向50个，y方向22个.当t＝0时，水体右端有一闸门阻碍水体流动；当t＞0时，闸门瞬间移开，水体在重力作用下迅速溃塌，并沿水平方向运动，水体自由面运动演化如图5所示.计算结果与实验结果进行比较，如图6所示.图6中的横坐标T表示特征时间，T ＝t；纵坐标表示溃坝洪峰的传递距离.从对比结果来看，数值模拟结果与实验结果吻合较好，本文的数值模型可较好地实现对溃坝水流自由面的追踪.图4 溃坝水流计算模型示意图图5 溃坝水体自由面运动演化图图6 数值模拟与实验结果的比较3 溃坝水流冲击丁坝流场3.1 计算模型本文以一底部放置有小型障碍物的矩形容器做为溃坝水流冲击丁坝流场的计算模型，如图7所示.给定溃坝水柱长度a＝0.15m，静水深2a＝0.3m，丁坝长度d＝0.024m，丁坝高度2d＝0.048m.初始时间步长δt＝1.0×10－4 s.采用的计算网格为x方向100个，y方向100个，网格大小δx＝6.0×10－3 m，δy＝3.2×10－3 m.水的密度ρ＝1g/cm3，重力加速度gy ＝980cm/s2，运动粘滞系数υ＝1.002×10－2 cm/s2.初始条件：速度场u＝v＝0，压强场为静水压强.边界条件：左、下边壁采用可滑移边界条件，右、上边壁采用不可滑移边界条件；丁坝四周边界采用固壁边界条件.图7 溃坝水流冲击障碍物流场计算模型3.2 计算结果分析图8给出了典型时刻溃坝水流冲击丁坝流场的分布，数值计算结果与实验结果相比较得到以下结论：t＝0.2s时，溃坝水流的前沿已撞上丁坝，撞击后在其右上角转弯，产生了一个向右上方行进的水舌，与实验中产生的水舌形状类似.t＝0.3s时，水舌继续向右上方延伸，此水舌的形状与实验很相似；同时未越过丁坝的溃坝水流液面形状与实验结果也很相似.t＝0.4s时，水舌已撞上右边壁，在撞上的瞬间空气来不及全部扩散，在水体内形成气泡，在重力作用下，水体有沿右边壁向下滑的趋势，而气泡将随水体下滑而扩散出来；与此同时一些散落的水滴从水体中脱离出来，而在水舌甩向右边壁的这一瞬间一条水带从水舌中部脱离出来，这两点与实验相类似.t＝0.5s时，水体已从右边壁跌落至下边壁，并与下边壁发生撞击，产生了水珠飞溅的现象，与实验结果相似；在水体跌落的同时，后续水流持续撞击右边壁，水体中的气泡有所增大；水体跌落瞬间，由于空气来不及扩散，水体内形成气泡；与下边壁撞击后的水流一部分向丁坝流动，形成第二个水舌，水舌撞上障碍物并与水体汇合，形成一个大的气泡，这点与实验类似；同时未能越过丁坝的溃坝水流液面形状与实验很相似.4 结论本文首先建立了一种基于VOF自由面追踪方法的NASA－VOF数值模型，并运用该模型数值模拟溃坝水流的演进过程，将数值模拟结果与实验结果进行比较，结果表明NASA－VOF数值模型能够较好地实现二维溃坝水流自由面的追踪；另外还运用NASA－VOF模型数值模拟二维溃坝水流冲击丁坝流场，并将数值模拟结果与实验结果相比较，结果表明NASA－VOF模型可较为精确地模拟二维溃坝水流冲击丁坝流场的演化过程，可以为溃坝水流对丁坝冲击的灾害提供一定的参考价值. 图8 典型时刻溃坝水流冲击丁坝流场分布（t＝0.1～0.5s）参考文献：［1］李国斌.淹没丁坝水流试验研究及三维数值计算［D］.南京：南京水利科学研究院，1989.［2］周宜林.淹没丁坝附近三维水流运动大涡数值模拟［J］.长江科学院院报，2001，18（5）：28－36.［3］彭静，河源能久，玉井信行.线性与非线性紊流模型及其在丁坝绕流中的应用［J］.水动力学研究与进展，2003，18（5）：589－594.［4］廖斌.基于VOF方法的不可压缩粘性流体自由面追踪［D］.南京：河海大学，2009.［5］Raad P E，Chen S，Johnson D B.The introduction of micro cells to treat pressure in free surface fluid flow problems［J］.Journal of Fluids Engineering，1995，117：683－690.。

不同弯度水渠二维水流运动数值模拟研究
杨程
【期刊名称】《宁夏工程技术》
【年(卷),期】2015(014)002
【摘要】为了研究水流对渠弯的影响,建立了水流运动的二维紊流数学模型,采用非结构网格有限体积法,通过实验室连续弯道的算例,验证了数学模型的正确性,并对4种不同弯度水渠的水流运动进行了数值模拟.结果表明,模拟值符合弯道水流运动的基本规律;在相同的水力参数下,随着渠弯角度的增加,水流对渠弯左岸的侵蚀明显降低;验证了在渠弯设计中对渠弯角度的规定是合理的.
【总页数】6页(P132-137)
【作者】杨程
【作者单位】北方民族大学土木工程学院,宁夏银川750021
【正文语种】中文
【中图分类】TV131;O242.1
【相关文献】
1.不同坡降影响下弯道式引水渠首水流三维数值模拟研究 [J], 廖灵芝;赵涛;刘威
2.长尾水渠中电站日调节下泄水流运动规律 [J], 左旋峰;卢文蕾
3.有弯度翼型垂直轴风力机的数值模拟研究 [J], 卞逸峰;陈庆远;许金泉
4.不同弯度风力机翼型的气动性能数值模拟研究 [J], 韩中合;江波;周权
5.裂隙水流运动的入渗试验及数值模拟研究 [J], 程勤波;陈喜;张志才;张润润;丘宁;黄日超;蔡炼彬
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新疆农业大学学报　2006,29(2):93～95J our nal of Xi n j ia ng Agricultural Universit y文章编号:100728614(2006)022*******无压隧洞水流的二维数值模拟张　菊1,2,王长新1,邱秀云1(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐　830052;2.内蒙古科技大学能源与环境学院,包头　010010)摘　要:　简述了流体体积函数法(VOF方法)的基本原理,并用它来处理水气交界面,与标准K2ε的二方程紊流模型耦合建立了无压隧洞内流场的数学模型,在数值模拟过程中,采用非结构网格来处理复杂的边界形状,并详细给出了各种边界条件的设置。

通过模拟计算,得到隧洞内水流的水面线、速度场等,并与模型试验结果进行对比分析,两者吻合较好。

关键词:　无压隧洞;K2ε紊流模型;数值模拟;自由水面中图分类号:　TV135.2 文献标识码:　A22D Flow Field Numerical Simulation in Free2Flow TunnelZHAN G J u1,2,WAN G Chang2xin1,Q IU Xiu2yun1(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricult ural University,Uru2mqi,830052;2.College of Energy and Environment,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou,010010)Abstract:　In t his paper,t he principle of t he volume of flow(VO F met hod)is introduced.It is used to deal wit h t he interface between gas and water,and wit h t he standard two equations of t he K2εt urbulence mod2 el,t he mat hematics model of t he flow filed in free flow t unnel is established.In t he p ress of numerical simulation,t he non2st ruct ure grid is applied to treat t he irregular boundary,and all kinds of boundary con2 ditions are int roduced.The curvilinear free surface,velocity are obtained.The calculated result is in good agreement wit h experimental data.K ey w ords:　f ree2flow t unnel;K2εt urbulence model;numerical simulation;f ree surface 隧洞是常见的泄水建筑物,在水利工程中有着广泛的应用。

江安县城长江防洪护岸工程二维通航水流数值模拟摘要：采用平面二维数学模型研究长江防洪护岸工程水流条件及通航条件的影响分析。

以江安县城河段为例，模型对该河段的实测水面线和流速分布进行了验证，计算结果与天然实测资料较为一致，可正确模拟实际河道的水流运动。

分析研究表明，以上边界条件改变对江安县城河段附近水位、流速等水流条件没有明显影响，不会影响上下游的泥沙冲淤能力，基本不会对通航条件造成明显变化。

关键词：数学模型，水流条件，通航条件1 前言目前长江河段存在这大量的采砂，修筑护岸工程以及修建码头开挖航槽等工程，这些工程必然导致天然河流航道边界的改变，航道边界的改变必然对河流的流态、通航条件等造成一定的影响，因此有必要通过二维数学模型进行水流条件和通航条件影响分析。

数值模拟是研究复杂河段河道流动特性的一种重要手段。

国内外已经有很多利用有限差分、有限元、有限体积、边界元等离散方法对复杂河段进行数值计算的研究[2]。

根据数模的计算结果，可以分析预测拟建方案对工程河段水流条件及航道条件的影响趋势[3]。

不论对于顺直河道或者复式游荡型河道，水位一流量关系的预测是河道风险管理以及洪水损失评估的基础，是进行洪水预报和制定合理经济的分洪措施方案的前提。

李大鸣[4]等考虑上、下游洪水边界的控制条件及糙率随河道流量变化的调整，提出了河道洪水演进的二维水流数学模型的计算方法。

叶如意[5]等利用平面二维水动力学模型对曹娥江至宁波的引水工程进行模拟，同时对模型进行验证和优化。

为了更深入地探讨边界条件改变对水流特性及通航条件的影响，本文在前人研究的基础上，以长江江安县城段为研究对象，通过平面二维数学模型模拟复杂河道的水流运动特性及河床演变规律。

2 工程方案宜宾市江安县城区长江防洪护岸综合整治工程上游起于牛角坝上游铜子湾，下游止于江安县污水处理厂。

目前工程河段为天然河岸，防洪标准不足10年一遇。

根据防洪规划中布置的堤线，结合工程堤线布置原则和地形地貌条件，工程方案保留了牛角坝分汊河道形态。