明渠交汇水流三维数值模拟

截取某梯形渠道 100 m 渠段，利用 FLOW-3D 进行建模，模拟了不同的下游壅水情况。通过对不同水深情况下剖面流速分布的研
究，采用固定流速系数的方法进行分析，给出了在壅水高度小于 20 cm 的情况下，可以达到测量精度（误差不超过±10%）的水流速
度系数。通过模拟计算，
拟合出了水流速度系数随水深变化的曲线，
intercepted and FLOW-3D model is used to simulate different backwater conditions downstream. Based on the study of velocity
distribution in profile under different water depths, the method of fixed velocity coefficient is used to analyze the velocity distribution.
图 1 数值模拟与方程计算结果对比图
量条件时，水面流速系数和断面流速的分布会随壅水高度的改
3 分析与讨论
3.1
变而改变。
渠道流速分布
渠道底坡比较小的情况下，
壅水的影响范围较大，
故文中探
国内外有关学者对梯形、矩形、复式断面等进行了室内实
讨在同一流量情况下，
同一断面的水面流速及水面流速系数的变
验和工程实测，结果表明自由水面的流度并非最大，最大流速
网格划分运行结果，
最终采用0.05 m的网格宽度。采用相连网格
2.3
根据牛顿第二定律和质量守恒定律，流体运动的计算必须
模型验证
首先模拟下游为壅水高度Δh=0 的恒定均匀流，将模拟结
满足连续性方程和动量守恒方程。文中利用 FLOW-3D 软件，

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明渠急流分流结构数值模拟
作者：燕春林何孟狄余振汪德金
来源：《科技视界》2012年第15期
【摘要】采用ｋ－ε双方程模型和VOF法模拟了明渠三维急流分流结构，得到了分流结构的流态、流场分布、水面线和分流比等水力学参数。

分流区流场具有较强的三维性，并随流量增大而紊动强度增大；流量较大时，主渠收缩段对水流的束窄能力增强；分流墩后水流的衔接形式和下游水位相关性较大。

通过将数值模拟结果与结模型试验结果相比较，二者在水面线、分流比等方面均符合良好，说明数值模拟成果有效。

( 1)
式中 ,ρ 和μ 分别为体积分数平均的密度和分子粘性 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 :
k μt = ρ C μ ε
2
( 7)
其中 , Cμ 为经验常数 ;σk 和 σ 的紊流 ε 分别为 k 和 ε 普朗特数 ; G 为由平均速度梯度引起的紊动能产生 项 , 由下式定义 :
第 39 卷 第 1 期
2007 年 1 月
四 川 大 学 学 报 (工 程 科 学 版 )
JOURNAL OF SI CHUAN UN I V ERSITY ( ENGI N EER I N G SC IENCE ED ITI ON )
Vol . 39 No. 1 Jan. 2007
文章编号 : 1009 2 3087 (2007) 01 2 0058 2 05
河道水流三维流速场的数值模拟研究
张光碧 , 邓 军 , 刘 超 ,朱迪生
1 2 1 1 ( 1. 四川大学 水利水电学院 ,四川 成都 610065; 2. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 ,四川 成都 610065)
摘 要 : 为了寻求一种先进的数值模拟方法来研究河段水流的流场特性 ,采用 VOF 紊流数学模型对大渡河安顺场 堤防工程兴建河段建堤前后的水流流速场进行了三维数值模拟研究 ,模拟计算了该河段堤防兴建前后流速场内流 速大小 、 方向 、 水位等的变化情况 。计算表明 , VOF紊流数学模型是一种处理复杂自由表面的有效方法 。该法不仅 具有稳定性好 ,灵活性强和精度高的优点 ,而且网格划分灵活 ,因此能较好地模拟不规则河道边界 ,很适合于天然 河道三维水流流速场问题的数值模拟研究 。 关键词 : 三维 ; 流速场 ; VOF法 ; 数值模拟 中图分类号 : TV135 文献标识码 : A

图5
验证试验结果
2
水流交汇口流场测量结果
3
水
2004 年 2 月
利
学
报
第2期
SHUILI
XUEBAO
2.1 试验概况 试验采用的坐标系原点 O 取在汇流口上游角 A 点底部(支槽一侧)，如图 2 所示。x 轴正 向指向干槽上游，流速为 u；y 轴为槽宽方向，流速为 v;z 轴铅垂朝上，流速为 w。Qu,Q b 和 Q t 分别表示交 -3 3 汇口上游干渠、支渠及交汇口下游的流量。试验最大干流流量 Qumax 和最大支流流量 Qbmax 均为 12×10 m /s， 汇流比 R Q=Qb/(Qu+Q b)=Qb/Qt=0.1～1.0，实验最大雷诺数 Remax=49988，最大弗劳德数 Frmax=0.382。所有测点 * * 位置采用水槽宽度 W 无量纲化，即 x*=x/W,y =y/W,z =z/W；流速量测结果以下游断面平均流速 V d 无量纲 * * * * 化，即 u =u/V d,v =v/V d,w =w/V d。为了研究交汇口三维流场情况，对主槽上 x =0.2、-0.6、-1.2、-1.7、 * -2.1、 -2.5、 -3.2 和-4.0 共 8 个过流断面及支槽上两个断面进行了流速量测， 每个测流断面上选取 y =0.2、 * 0.35、0.5、0.65 和 0.8 五条测速垂线，每条垂线上选取 z =0.02、0.06、0.10、0.15、0.23、0.32 和 0.44 共 7 个测点，一共 10×5×7=350 个测点，测量点具体布置如图 2 所示。 2.2 u -v 矢量 场 试验观测结果表明：近水面的分离区内，水面呈极不规则的扭曲面，且低于同断面外 部水面(即收缩区)。由于分离区存在，外部水流产生收缩现象，形成折偏主槽外侧边壁的收缩区。最大断 面平均流速出现在收缩区；由于主支流的相互作用，支流以θ角汇入主槽(主支流流动方向夹角)，并非以 (θ+β)角汇入，而是与支槽边壁方向成β角，试验结果表明，支流断面平均入射角与流量比成线性相关 关系；水流通过收缩区(或分离区)后，流速分布逐渐恢复为典型的明渠流型态(近表面流速较大)；分离区 * 的尺寸大小随 RQ 及 z 而变。通过对交汇口三维流速场的观测及试验结果的研究分析，得到汇流口附近的流 动结构。图 6 给出的是根据试验结果所得的交汇口水流流 动结构示意图。 近底部和近水面的流动图形很不相同。图 7 给出了不 * * 同流量比， 近水面及近槽底平面二维 u -v 流速矢量场。 由 图 7(a,b)可以看出，在支流汇入主槽断面上，近渠底与近 水面的支流入流现象明显不同。与表面水流相比，渠底附 近支流汇入时明显向下游主槽方向(x 轴向)折偏，表明近 槽底支流以较小θ进入主槽， 导致沿 y 方向动量输入较小， 而表面水流则以较大θ角进入主槽；由于支流入射角θ沿 水深变化，分离区尺寸由水面至槽底也随着发生变化，近 水面分离区尺寸 ( 包括长度和宽度 ) 与近槽底的分离区相 * 比显得较大。在断面 x =-1.8 附近，槽底附近的过流宽度 约为槽宽的 80%，而水面附近仅为槽宽的 70%。同时两者 图 6 交汇口三维流动 分离区长度也存在明显差异。对于充分发展水流，在汇入 断面上，与底部流速相比，近表面支流具有较大流速及较大入射角θ，使得其入射动量相对于底部要大。 由于支流上下层水流入射动量及入射方向差异，形成不同的流速场、分离区及水流恢复区。 针对各种 RQ 的 u -v 流速矢量场试验结果分析，发现分离区尺寸大小与 R Q 有密切关系，见图 7(b,c,d) 及图 8。当流经交汇口水流均来自干槽上游时(R Q=0.0)，汇流口下游 B 点附近没有出现水流分离现象；当 RQ 较小时，干流流经交汇口，速度矢量向外侧边壁的偏折程度较小，且在交汇口下游较短距离内，沿 y 方 向流速分布很快变为均匀；随着 RQ 增大，支流流量及动量相对增加，使得支流在向下游主槽方向折转之前 向干流扩展掺入程度加剧，导致分离区尺寸(宽度和长度)增加，水流收缩程度急剧；底部和表面水流在汇 入断面上入射角θ差异增加；同时，交汇口上游 A 点附近的滞流点位置由支槽边壁逐渐移向主槽边壁。另 一个特别是：近水槽底部，由于主流收缩减小，加上支流入射角θ减小，两股水流流动方向趋于一致，导 致渠底附近出现较大流速。