水利工程論文-沉沙池立面流場(chǎng)數(shù)值模擬研究.doc

水利工程論文-沉沙池立面流場(chǎng)數(shù)值模擬研究摘要：采用-紊流模型，對(duì)沉沙池立面流廚行了數(shù)值模擬。在驗(yàn)證模型正確的基礎(chǔ)上，以大禹渡沉沙池為例，分析了沉沙池中水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為進(jìn)一步研究泥沙在沉沙池中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了前提，最終為沉沙池的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)用管理提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：沉沙池-模型立面流場(chǎng)大禹渡1前言在多沙河流上修建引水工程，為了減少進(jìn)入引水渠的泥沙，保證引水質(zhì)量，往往需要在渠首設(shè)置沉沙池沉淀大部分泥沙，防止或減輕引水渠的淤積以及泥沙對(duì)水輪機(jī)、水泵等過流部件的磨損，防止粗顆粒泥沙進(jìn)入農(nóng)田，引起農(nóng)田沙化。對(duì)于沉沙池的研究，我國(guó)科研工作者自50年代以來通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究工作13，在沉沙池的結(jié)構(gòu)與形式方面取得了許多成果，但在沉沙池計(jì)算理論方面，國(guó)內(nèi)目前大多數(shù)還是將沉沙池水流作為一維流或二維均勻流處理，計(jì)算泥沙沉降仍采用傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜水沉降法、非飽和輸沙等經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式。而國(guó)外自70年代開始就已將各種紊流模型應(yīng)用到沉沙池計(jì)算當(dāng)中，提出了許多數(shù)值方法來模擬沉沙池中的水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。國(guó)內(nèi)在這方面的研究尚不多見，因此有必要應(yīng)用紊流理論來研究沉沙池中的實(shí)際水流運(yùn)動(dòng)，為沉沙池的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)用管理提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。2數(shù)學(xué)模型2.1基本控制方程對(duì)沉沙池流場(chǎng)的研究，其最終目的是為了研究泥沙在沉沙池中的垂線分布和沿程淤積情況，在此基礎(chǔ)上按照工程要求設(shè)計(jì)沉沙池的合理尺寸。因此可將沉沙池水流簡(jiǎn)化為立面二維水流進(jìn)行研究，水流基本控制方程包括連續(xù)性方程(1)動(dòng)量方程(2)(3)其中（4）u、v分別為沉沙池水流方向（x）和水深方向（y）的流速分量，vt為紊動(dòng)粘性系數(shù)，k、分別為紊動(dòng)能及其耗散率，它們通過求解以下輸運(yùn)方程得到k方程（5）方程（6）式中,方程（1）（6）組成了求解沉沙池水流的封閉方程組，模型中五個(gè)常用參數(shù)的取值見表1。2.2數(shù)值方法對(duì)以上方程組采用控制體積法進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)采用上風(fēng)差分格式，使計(jì)算結(jié)果不致發(fā)散，劃分網(wǎng)格時(shí)采用交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)，以避免棋盤格式分布的壓力場(chǎng)或流速場(chǎng)，最后，采用TDMA與高斯賽德爾迭代相結(jié)合的方法求解非線性方程組。為了避免非線性方程組在求解過程中發(fā)散，對(duì)各因變量及壓力實(shí)行欠松弛迭代，以保證解的穩(wěn)定性和收斂性。表1經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值Valueofempiricalfactorscc1c2k0.091.441.921.01.32.3邊界條件沉沙池立面流場(chǎng)的邊界條件包括：（1）進(jìn)口斷面邊界條件；（2）出口斷面邊界條件；（3）自由水面邊界條件和（4）固壁邊界條件。分述如下。（1）進(jìn)口斷面邊界條件沉沙池進(jìn)口斷面的水流按均勻流計(jì)算其行進(jìn)流速，即水流方向流速U按明渠均勻流的有關(guān)公式求解，水深方向流速V=0。k、分別采用下式計(jì)算其參考值，均假設(shè)在水深方向均勻分布4。k=0.2u2(7)(8)其中，混摻長(zhǎng)度lm=c(0.5Hin)(9)Hin為池首進(jìn)口水深。（2）出口斷面邊界條件沉沙池的出口往往為一溢流堰，可按堰流計(jì)算堰頂平均流速，作為U的出流邊界，其余物理量則按自由出流條件給出，即(10)（3）自由水面邊界條件自由水面近似采用“剛蓋”假定，包括：壓強(qiáng)采用相對(duì)壓強(qiáng)，即P=0；V=0；U、k在自由水面的法向梯度為0，即：；采用下式計(jì)算4:=k1.5/0.43H。（4）固壁邊界條件沉沙池的固體邊界一般包括沉沙池底部、水流經(jīng)閘門后突然擴(kuò)大斷面的跌坎壁及尾部溢流堰墻三部分，如圖3所示?？刹捎帽诿娑赡M粘性底層與紊流區(qū)交界面處的流速、紊動(dòng)能及其耗散率5。流速壁面條件ures/u=1/ln(y*E)(11)式中ures為平行于壁面的流速分量，u為摩阻流速，y*=yu/v是無因次量，y為計(jì)算點(diǎn)到壁面的距離，為卡門常數(shù)，取為=0.4，E為表征糙率參數(shù)，對(duì)水力光滑壁面，可取E=9.0。紊動(dòng)能k的壁面邊界條件(12)耗散率壁面邊界條件(13)3模型驗(yàn)證本文計(jì)算程序采用FORTRAN77語言編制，對(duì)文獻(xiàn)6中描述的算例進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。該沉沙池有關(guān)參數(shù)及計(jì)算域分別如表2及圖1所示。其中L為沉沙池長(zhǎng)度，d0為池首閘門開啟高度，H為池中水深，q為單寬流量，inq/d0，表示為進(jìn)口平均流速。圖1沉沙池計(jì)算域示意圖Calculatingsketchofsettlingbasin表2沉沙池尺寸及水力參數(shù)DimensionandhydraulicfactorsofsettlingbasinL（cm）H（cm）q（cm2/s）Uin（cm/s）d0（cm）73.011.9109.421.885.0圖2流速U垂線分布情況對(duì)比ComparisonofverticaldistributionofvelocityU圖3大禹渡沉沙池計(jì)算域概化剖面圖CalculatingsketchofDayudusettingbasin利用上述建立的-紊流模型對(duì)該沉沙池流廚行模擬計(jì)算，計(jì)算成果與前人成果及實(shí)測(cè)資料對(duì)比如圖2所示。圖2中，Imam等人采用旋度流函數(shù)法模擬沉沙池立面流場(chǎng)7，Abdel-Gawad等則采取在池首回流區(qū)假定流速分布函數(shù)進(jìn)行線性積分及在尾部采用有限元相結(jié)合的方法求解水流流場(chǎng)6，與作者采用原始變量法求解水流流場(chǎng)的結(jié)果相比，U流速的垂線分布都很相近，且與實(shí)測(cè)資料吻合較好，這充分證明了以上所建模型的正確性和合理性。4模型應(yīng)用在驗(yàn)證模型正確的基礎(chǔ)上，利用該模型對(duì)山西省芮城大禹渡矩形沉沙池立面流廚行模擬計(jì)算，得到該沉沙池中流速、紊動(dòng)能及其耗散率的垂線分布和沿程變化規(guī)律8。4.1概況大禹渡沉沙池設(shè)在大禹渡電灌站的一級(jí)站和二級(jí)站之間，總長(zhǎng)234m，設(shè)計(jì)水深59.7m，計(jì)算時(shí)取水深為7m，沉沙池末端設(shè)一長(zhǎng)192m的溢流堰，概化后的大禹渡沉沙池剖面圖如圖3所示。4.2計(jì)算成果分析取沉沙池的首部、中部及尾部三個(gè)典型斷面，分析各個(gè)斷面的流速、紊動(dòng)能及耗散率的垂線分布，從而揭示沉沙池水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖4為各斷面水流方向流速U的垂線分布。分析圖4可以看出，在首部斷面，沉沙池底部水流方向與池中水流方向相反，說明水流經(jīng)閘門后斷面突然擴(kuò)大，在沉沙池首部產(chǎn)生局部回流，此處的水流紊動(dòng)最為劇烈。至沉沙池中部，水流漸趨穩(wěn)定，流速垂線分布與紊流流速分布規(guī)律相符合，即可以用對(duì)數(shù)律來表示沉沙池中%U%流