摘要：跌坎型底流消能工是建立在常规底流消能工基础上的一种消能方式，相对于常规底流消能工能有效降低消力池的临底水力学指标。本文采用RNG k-ε双方程紊流模型进行数值模拟；数值计算采用SIMPLE算法的改进的算法PISO算法；对于自由水面线，采用VOF方法对进行追踪模拟。并对计算结果与物理模型观测值进行了对比，两者结果具有较好的一致性。
关键词：底流消能；数值模拟；跌坎型消能工
中图分类号：TV135.2
文献标识码：A
文章编号：1672-1683(2008)02-0069-03
Numerical Simulation on the Influence of Step-down Depth and Intake Energy to the Flow Pattern
of Step-down Hydraulic Jump Dissipater
FENG Guo-yi1 ， WANG Hai-jun2， TANG Tao1
(1.Construction and Administration Bureau of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project，Beijing 100053，China；
2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China)
Abstract：The step-down hydraulic jump dissipater，as a conventional hydraulic jump dissipater，is more effective in reducing the hydraulic index of the baffle basin than the conventional hydraulic jump dissipater.The paper adopts the RNG κ-ε double equation turbulent model to process the numerical simulation and the numerical value is calculated through adopting the PISO calculation which is improved from the SIMPLE calculation.Meanwhile，the method of VOF is adopted to have simulation on the surface profile and the results of calculation and model observation are compared so that the results are more consistent.
Key words：energy dissipation by hydraulic jump；numerical simulation；step-down hydraulic jump dissipater
1 研究背景
跌坎型底流消能工是建立在常规底流消能工基础上的一种消能方式，由于其相对于常规底流消能工能有效降低消力池的临底水力学指标，在高水头，大流量，且对泄洪雾化要求较高的工程中具有很大的应用前景。为了更好地了解跌坎型底流消能工消力池内流场的分布，本文对不同坎深情况下跌坎型底流消能工消力池的流场进行了数值模拟，并结合水工模型试验，对其计算结果进行了对比。
2 数学模型
2.1 控制方程
本文采用RNG κ-ε双方程紊流模型。该方程较之于标准的κ-ε模型有如下几点不同：(1)方程的常数是用理论推导得出的，并非用实验方法确定；(2)通过修正湍动黏度，考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况；(3)在ε方程中增加了一项，从而反映了主流的时均应变率，这样模型中产生项不仅与流动情况有关，而且在同一问题中也还是空间坐标的函数。因此RNG κ-ε模型能够更好的处理高速射流的各项异性的问题。
2.2 数值离散及自由面处理
采用有限体积法对偏微分方程组进行离散，数值计算采用SIMPLE算法的改进的算法PISO算法。对于动量方程，k方程，ε方程的对流项均采用一阶迎风格式进行离散，扩散项采用中心差分格式。
对于自由水面线，采用VOF方法进行追踪模拟。
3 试验模型和工况设置
模型如图所示，AB采用流速入口， BCD采用压力入口，DE采用压力出口，AE设置为无滑移的墙边界，在模型上取1、2、3三个断面，把断面的实测水深和不同深度流速和数值模拟的结果进行对比。
图1 模型示意图
跌坎深度和水流入池能量对跌坎型底流消能工消力池内水流的流态有着很大的影响，因此本文的数值模拟和试验验证工况分别为：(1)入池流速v=3 m/s，跌坎深度d=2、4、6、10 cm；(2)跌坎深度d=6 cm，入池流速v=1、3、5 m/s。各工况下水流均为水平入池。
4 数值计算结果与实测结果对比分析
4.1 流速验证
为了验证数值计算结果的准确性，取入池流速v=3 m/s，跌坎深度d=2、6 cm两工况的数值计算流速以及模型实测流速进行对比，如表一所示。由表一的数据看出，数值模拟的结果基本和实验结果基本吻合，说明本数值计算结果具有可信度。
4.2 跌坎深度对流态的影响
取入池流速v=3 m/s，跌坎深度d=2、4、6、10 cm，通过数值计算得到的流场图如图2、3、4、5所示。
图2 d=2 cm，v=3 m/s图3 d=4 cm，v=3 m/s图4 d=6 cm ，v=3 m/s图 5 d=10 cm， v=3 m/s
在模型试验中，当坎深为2 cm时，水流直接冲底，由于尾坎的作用，在尾坎处形成水跃。当坎深为4 cm时，消力池表面形成一个大的面部漩滚，同时由于跌坎较浅，主流直接冲击底板，临底流速较大，当跌坎深度为6 cm和10 cm时，消力池中出现了分离再附的现象。下泄水流与消能水体产生强烈的剪切，摩擦和掺混的作用。沿着主流射流方向出现了淹没自由射流区、冲击区、附壁射流区，在主流下方形成了强烈的底滚漩涡，主流上方形成了强烈的面滚。由图2、3、4、5可以看出，跌坎型消能工消力池内水流流态跟实测的水流流态吻合较好，实测过程中出现的水流现象均在数值模拟的流场图中得到体现。
4.3 入池能量对流态的影响
取跌坎深度d=6 cm，v=1、3、5 m/s，通过数值计算得到的流场图如图6、图7、图8所示。
图6 d=6 cm ，v=1 m/s
图7 d=6 cm ，v=3 m/s
图8 d=6 cm ，v=5 m/s
在模型试验中，随着入池能量的增加，消力池内依次会出现面流、淹没底流、远驱底流。由图6~8可以看出，当入池流速v=1 m/s时，在消力池中不能充分紊动扩散，主流集中在表层，表层流速较大，由于受到尾坎的作用，水流在消力池中产生一个较弱的漩滚。当入池流速v=3 m/s时，消力池中出现了分离再附的现象。下泄水流与消能水体产生强烈的剪切，摩擦和掺混的作用。沿着主流射流方向出现了淹没自由射流区、冲击区、附壁射流区，在主流下方形成了强烈的底滚漩涡，主流上方形成了强烈的面滚。当入池流速v=5 m/s时，消力池内势必出现了远驱水跃的流态，消力池底板上流速较大，由于尾坎的作用，在尾坎处形成水跃。三种流速的数值模拟流场图依次表现为面流、淹没底流、远驱底流流态。
5 结论
本文通过水工模型实验的方法，针对不同入池能量和不同跌坎深度时对跌坎型消能工消力池内流态进行了分析，得到了跌坎型消能工消力池内流态随跌坎深度和入池能量变化的规律。同时使用数值模拟的方法对跌坎型消能工进行模拟验证，将消力池内不同断面的流速和水深和实验数据进行对比，两者吻合较好。
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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