丁曉唐　徐大雷　朱　峰

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京　210098)

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基于FLOW-3D軟件的旋流起旋室水力特性數(shù)值模擬

丁曉唐徐大雷朱峰

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京210098)

摘要：文章采用FLOW-3D軟件，通過RNG k-ε模型和volume of fluid(VOF)方法相結(jié)合，實現(xiàn)了豎井水平旋流泄洪洞水力特性的三維水流流場數(shù)值模擬；對開敞式進水口軸線與旋流洞軸線交角不同時起旋室的壓強分布、旋流角和紊動能等水力特性進行了對比分析研究，數(shù)值模擬能夠客觀地反映起旋室旋流的流場特性，成果可為旋流溢洪道的研究應(yīng)用提供參考．

關(guān)鍵詞：VOF方法；k-ε紊流模型；水平旋流；紊動能；三維數(shù)值模擬

圖1　豎井溢洪道結(jié)構(gòu)體型

豎井溢洪道由進水口、豎井、起旋室及旋流洞等組成，豎井溢洪道結(jié)構(gòu)體型如圖1所示．水流從進水口進入豎井，豎井段設(shè)置的折坎使水流在下泄的過程中卷入大量的空氣，使得豎井段的含氣量增加，可以有效減少水流對豎井壁的空蝕，有利于保護建筑物結(jié)構(gòu)，并且可以改善水流流態(tài)，減少由于水流紊動造成豎井的振動，減少了由于振動對結(jié)構(gòu)造成損害．對于旋流的研究主要是通過水工模型試驗[1-3]，但試驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^存在一定的縮尺效應(yīng)，且無法直接量測內(nèi)部流動參數(shù)；隨著對于紊流模型研究的不斷深入，數(shù)值模擬[4-7]逐漸成為研究豎井水平旋流的新技術(shù)．本文通過FLOW-3D軟件，分別建立進水口軸線與旋流洞軸線交角分別為0°、45°和90°時的水平旋流消能溢洪道三維模型，計算了不同交角時起旋室的壓強分布、旋流角和紊動能等水力特性．

1數(shù)值模型

1.1VOF方法

對于帶有自由液面的水流在數(shù)值模擬計算中，通常使用Volume of Fluid(VOF)[8]法．VOF法可以處理變化復(fù)雜的水流自由表面，對于較為復(fù)雜的氣液二相流而言，其基本思想是：定義函數(shù)αw(x，y，z，t)和αα(x，y，z，t)分別代表計算區(qū)域內(nèi)水和氣占計算區(qū)域的體積的相對比例．其中：αw=1，該單元完全為水；αw=0，該單元完全為氣；0<αw<1，該單元部分為水，部分為氣，具有自由面；

本文研究進行的是豎井溢洪道旋流三維大尺度流動數(shù)值計算，采用VOF法是適合的．計算體積函數(shù)F表達式：

(1)

式中，ui代表x，y，z方向的流速分量，F(xiàn)是體積函數(shù)，xi為坐標(biāo)分量，Ai代表FLOW-3D軟件的x，y，z3個方向FAVORTM面積函數(shù)，VF為體積分?jǐn)?shù)，由FLOW-3D軟件在建模時定義．

1.2紊流模型

在FLOW-3D軟件中，對于紊流模型主要是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型，以及Realizablek-ε模型，本文選取適用于處理流線彎曲程度較大的流動的三維水流RNGk-ε紊流模型[9-10]，控制方程如下．

連續(xù)性方程：

動量方程：

紊動動能k方程：

紊動能耗散率ε方程：

2網(wǎng)格劃分和邊界條件

三維坐標(biāo)系中：X軸方向與進水口流速方向相反，從進水口至起旋室，總長大約在38 m；Y軸方向為旋流洞水平流速方向，從起旋室至旋流洞出口斷面總長約80 m；Z軸方向與水流的重力方向相反，從頂部至起旋室底部，總高約109 m．

2.1網(wǎng)格劃分

豎井溢洪道開敞式進水口堰面和起旋室體型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)極不規(guī)則，由于該段體型存在復(fù)雜部位，在網(wǎng)格劃分時應(yīng)特別注意．Flow-3D軟件是以矩形網(wǎng)格單元來描述模型的幾何外形，它提供了均勻性(Uniform 26 Meshes)和非均勻性(Non- uniform Meshes)兩種網(wǎng)格形式．本文模型采用均勻性的正立方體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小為 0.25 m×0.25 m×0.25 m，共產(chǎn)生5 392 138個網(wǎng)格單元．劃分網(wǎng)格后利用FAVOR功能查看豎井溢洪道結(jié)構(gòu)，對外形出現(xiàn)不規(guī)則形狀處進行局部加密．

2.2邊界條件

豎井溢洪道豎井段(mesh block 1)的邊界條件設(shè)定為：上游開敞式進水口邊界Y-Max為壓力邊界(Specified pressure)，在進水口處設(shè)置流體域，水位高度設(shè)為108 m(即校核工況H=2 008 m)；邊界Z-Max為頂部空氣入口，設(shè)定為Symmetry邊界；邊界Z-Min為連續(xù)邊界(Continuative)，此處邊界與mesh block 2的邊界Z-Max相連接；邊界X-Max，X-Min，Y-Min為固壁邊界(Wall)．

起旋室內(nèi)及旋流洞(mesh block 2)的邊界條件設(shè)定為：起旋室端部設(shè)有通氣孔，故設(shè)置邊界X-Min為流速邊界(Specified velocity)，通氣流速為60 m/s；旋流洞出口部分邊界X-Max設(shè)置為出流邊界(Out flow)；邊界Z-Min為連續(xù)邊界(Continuative)，此處邊界與mesh block 1 的邊界Z-Min相連接；邊界Y-Max，Y-Min，Z-Min為固壁邊界(Wall)．

模型邊界條件設(shè)定如圖2所示．

圖2　邊界條件設(shè)定

3計算結(jié)果及分析

3.1壓強分布

圖3～5為3種交角下起旋室斷面壓強分布，從圖中可以看出0°和45°時壓強分布較為一致，90°時起旋室壓強較大；在離心力作用下起旋室內(nèi)水流形成旋轉(zhuǎn)流，盲段設(shè)有通氣孔向起旋室通入空氣，使水流在起旋室內(nèi)形成有穩(wěn)定空腔的旋轉(zhuǎn)流，含氣量的增加也可以有效減少流體、減少起旋室和旋流洞的空蝕．

圖3　0°時壓強分布圖　　　　　　　　圖4　45°時壓強分布圖　　　　　　　　圖5　90°時壓強分布圖

通過圖3、圖4和圖5對比可知，交角為0°、45°和90°時3種體型壓強最大值發(fā)生均在起旋室底部位置處，分別為792.6、798.3和815.1 MPa，3種體型交角為90°時起旋室底部所受壓強值最大；交角為0°和45°旋流中部為負(fù)壓，而在交角為90°時明顯在旋流中部產(chǎn)生了空腔，這有利于水流摻氣從而減少水流對結(jié)構(gòu)的空蝕破壞；不同交交角時的壓強分布規(guī)律相似，表現(xiàn)為由旋流中心至壁面逐漸增大的趨勢；變化，沿程也受軸向斷面尺寸的影響．因起旋室內(nèi)的旋流以切向運動為主，故該段壁面壓強值最大；起旋室洞底壓強比洞頂壓強大，這是由于作用于旋流上的質(zhì)量力有重力和離心力，二者的作用方向在旋流的底部相同，在旋流的頂部相反，因此同一軸向面上環(huán)向各點的壓強存在一定的差異，旋流的頂部壓強最小，底部壓強最大，左右兩側(cè)壓強大致相當(dāng)，但也存在較小差異．

3.2旋流角

空腔旋流的實際水流速度方向與水平軸向流動速度方向之間的夾角稱為旋流夾角[11]．旋流夾角α的表達式為：

(2)

則空腔環(huán)流的流速夾角：

(3)

式中，Vθ為切向速度，Vx為軸向速度．

圖6是校核工況下起旋室水流的旋流角沿Y軸正向變化曲線．從圖中可以看出在樁號0+216 m處旋流角接近90°，說明此處只有切向流速，軸向流速很小；3種工況下旋流角沿Y軸正向是沿程逐漸減小的，交角為0°和45°時旋流角在起旋室變化幅度比較大；在相同樁號處交角為90°旋流角最大，0°時最小，這說明交角為90°產(chǎn)生了較大切向流速而軸向流速卻相對更?。?/p>

圖6　起旋室水流旋轉(zhuǎn)角沿Y變化曲線

3.3紊動特性

紊動能衡量流體紊動物理量，在紊動能較大處，水流湍動劇烈，流體之間相互碰撞產(chǎn)生較大的能量損失．圖7繪出了不同交角時旋流室橫斷面沿X向紊動能變化情況，數(shù)值模擬結(jié)果表明左側(cè)水流的紊動能較右側(cè)大，表明在這些區(qū)域內(nèi)時均流為紊流支出的能量較多，能量損失較大；同時，水流旋轉(zhuǎn)運動時離心力加大了旋流與壁面的摩擦力，因此水流在起旋室壁面紊動能出現(xiàn)新高；45°和90°時紊動能分布情況基本一致，根據(jù)紊動能在起旋室的分布情況及3種角度下沿徑向的紊動能大小可以得知，在0°時起旋室橫斷面的紊動能更大，此時的能量損失更大．

圖7　不同交角時沿X向的紊動能

4結(jié)論

本文采用RNGk-ε紊流模型結(jié)合VOF自由表面處理的方法，對豎井進流水平旋流溢洪道起旋室的水力特性進行了數(shù)值模擬，計算得到了壓力分布、旋流角和紊動能等水力特性，分析了不同角度時對起旋室上述各個水力特性的影響．得出結(jié)論如下：采用RNGk-ε紊流模型計算起旋室的水力特性的效果較好，能真實地反映出起旋室旋流的內(nèi)部流動和參數(shù)的分布規(guī)律；相同位置處的旋流角隨著交角增大也依次增大；交角為0°、45°和90°時壓力分布基本一致；0°時起旋室紊動特性好，能量損失大，消能效果好．

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[責(zé)任編輯王康平]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.003

收稿日期：2016-04-12

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目資助(項目編號：51279052)

通信作者：丁曉唐(1961-)，女，副教授，博士，從事混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及近代計算方法研究．E-mail：936365468@qq.com

中圖分類號：TV133

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)03-0011-03

Numerical Simulation of Hydraulic Characteristics of Swirling Device Based on FLOW-3D Software

Ding XiaotangXu DaleiZhu Feng

(College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractThe paper adopts FLOW-3D flow calculation software, through combining the RNG k-ε model and volume of fluid(VOF) method to realize the three-dimensional flow field numerical simulation of hydraulic characteristics of level swirling flow tunnel spillway; meanwhile, the paper conducts the contrast analysis and research on the pressure distribution, velocity distribution and energy dissipation of different crossing angles of open inlet axis and swirling flow tunnel axis. The numerical simulation can objectively reflect the flow field characteristics of rotational flow in swirling device. The results can provide reference for the research and application of swirling energy dissipater for spillway.

KeywordsVOF method;k-ε turbulence model;level swirling flow;turbulent flow energy;three-dimensional numerical simulation