（水力学及河流动力学专业论文）消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究.pdf

四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 摘要 向家坝水电站因其坝址所在地对环境有特殊要求，不能采用雾化影响比 较严重的挑流消能形式，初步设计采用了底流消能形式。但由于水头高、流 量大，消力池临底流速达到3 5 1 r d s 以上，严重威胁泄洪安全，因此，泄洪消 能问题遂成为向家坝工程设计中的重大技术难题。四j 1 1 ；k 学高速水力学国家 重点实验室结合向家坝水电站泄洪消能特点和对雾化有严格限制的要求，与 设计单位共同提出了多股多层水平淹没射流这一新型消能方式。多股多层水 平淹没射流消能兼有空间三元水跃和淹没射流两种流动特性，有自身独特的 水力特性和消能机理，目前在国内外尚未有相关研究报道。多股多层淹没射 流的紊动剧烈，流态相当复杂，现有的测试手段很难详细了解消力池内部的 旋涡结构和强度，而数值模拟技术则能弥补物理模型测试手段的不足，能够 得到详细的流场水力特性，从而为分析消力池的水动力特性及消能特性提供 有力的科学依据。本研究采用国际上先进的紊流计算软件f l u e n t ，选用水气 两相流的v o f 模型追踪模拟自由表面，采用r n g 一s 紊流模型对向家坝水 电站消力池三维流场进行数值模拟。对计算成果进行了大量仔细的分析，得 到如下结论： 1 数模计算结果与物模试验结果吻合良好，从而证实数模计算结果基 本正确，是可信的。数模计算结果信息量庞大，全面反映了消力池 的水力特性和消能过程，是物理模型的有力补充。 2 各计算工况均在主射流上方形成稳定的表面旋滚，下方形成稳定的 贯穿的横轴旋滚。原方案表孔单独泄洪时，面流形态较明显，主流 扩散较慢，流态较差。 3 各计算工况的泄槽及消力池各部位的壁面压力均为正压。消力池底 板压力变化平缓，没有明显的冲击点。底板及侧壁压力在消力池首 部有一低压区，其余部位基本为静水压力分布。 4 高低坎体型使下泄水流分割为上下左右相互错开的多股多层射流， 并在消力池内生成大小不一、形态各异的多个旋滚，从而使消能率 显著提高。 5 修改方案表孔单独泄洪的流态得到很大改善，消能率提高，消力池 四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 临底流速较原方案均有所增大，表中孔回流区长度较原方案减小。 原方案与修改方案所计算的l6 个工况，仅修改方案的工况1 与工 况7 在消力池底板上出现游离性的贯穿的立轴旋涡，其余均未见到 明显的稳定的立轴旋涡。 本研究仅对向家坝表、中孔出口高程进行了一种体型修改，今后应 进一步优化表、中孔出口底高程及高差，表、中孔出口俯角等体型 参数，继续深入研究多股多层水平淹没射流的消能机理。 多股多层水平淹没射流消能是1 中环保型的消能方式，特别适用于 高水头、大单宽流量，尤其适用于对航运和环境有特殊要求的大中 型水利工程，具有较好的推广应用前景。 关键词：水利工程基础学科，三维流场，紊流数值模拟，v o f 法，多股多 层淹没射流，消能 i i 四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 a b s t r a c t b e c a u s ex i a n gj i ab ap o w e rs t a t i o n ss e a th a s s p e c i a ls u r r o u n d i n g s r e q u e s t , i t se n e r g yd i s s i p a t e ra d o p t sp r i m a r i l yu n d e r s e td i s s i p a t e ra n d d o n t a d o p t sp l u n g ej e td i s s i p a t e rb e c a u s e o fi t ss e v e r ea t o m i z a t i o ne f f e c t b u td u e t oh i g hw a t e r h e a d ，b i gf l u x ，v e l o c i t yo f f l o wo n p l u n g ep o o l b o t t o ma r r i v e s a t3 5 m s ，u n d e r s e td i s s i p a t e re n d a n g e rb a d l yd i s c h a r g eb u i l d i n g s s oe n e r g y d i s s i p a t i o n o fx i a n gj i ab ap r o j e c ti sf a t e f u lt e c h n o l o g yd i f f i c u l tp r o b l e m s t a t ek e y h y d r a u l i c sl a b o r a t o r yo fs p e e df l o w s ( s i c h u a nu n i v e r s i t y ) p u t s f o r w a r dan e wd i s s i p a t e r - - - - - m u l t i l e v e l s u b m e r g e dj e t s f o r s o l v i n g t h i s d i f f i c u l tp r o b l e m m u l t i l e v e ls u b m e r g e d j e t sh a st w i c ef l o w c h a r a c t e r i s t i co f s p a c e3 dh y d r a u l i cj u m pa n ds u b m e r g ej e t s o i th a so w nu n i q u ef l o w c h a r a c t e r i s t i ca n de n e r g y d i s s i p a t i o nm e c h a n i s m a tp r e s e n tt h e r ei s n o t c o r r e l a t i o ni n v e s t i g a t i o n st oi ti n s i d ea n do u t s i d e m u l t i l e v e ls u b m e r g e d j e t s f l o wi s q u i t ec o m p l e xs ot h a te x i s t i n gt e s tm e a n sa r e d i f f i c u l tt ok n o wi n d e t a i l e d d y s t n a c t u r ea n di n t e n s i o ni n s i d e p l u n g ep o o l ，b u t n u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a nm a k eu p p h y s i c sm o d e l ss h o r t a g e t og e tf u l lf l o wf i e l d ，a n d p r o v i d e ss c i e n t i f i cp r o o f f o ra n a l y z i n gf l o wp a t t e ma n de n e r g yd i s s i p a t i o n w i t hi n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt u r b u l e n tc o m p u t es o f t w a r ef l u e n t ，h y d r o s p h e r e v o f t w o - p h a s e m o d e lt ot r a c ef r e es u r f a c ea n dr n gk 一占t u r b u l e n tm o d e l ， t h e p a p e r m a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r3 df l o wf i e l do n x i a n g j i a b a p l u n g e p 0 0 1 a n a l y z i n gc a r e f u l l yc o m p u t i n g 丘u 妇s o m ec o n c l u s i o n s a l eg o ta s f o l l o w s ： 1 c o m p u t a t i o n a n dm e a s u r ei n o s c u l a t e p r e f e r a b l y , w h i c hp r o v e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni se f f e c t i v e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a no f f e rv a s t i n f o r m a t i o na b o u tf l o wf i e l dt or e f l e c te n t i r e l yf l o ws t r u c t u r ea n de n e r g y d i s s i p a t i o np r o c e s s a s p o w e r f u lm a k e u po f p h y s i c s m o d e l 2 a b o v et h ej e t sa x i sf o r m ss t e a d ys u r f a c er o l l ，b e l o wf o r m ss t e a d y p e r f o r a t i v et r a n s v e r s ee d d yf o r a l lw o r kc o n d i t i o n s w h e nt o ph o l e sf o r f o r m e rc a s e d i s c h a r g eb yo n e s e l g s u r f a c ef l o w p a t t e m i sv i s i b l ea n d m a i n s t r e a md i f f u s e ss l o w l y 3 w a l l p r e s s u r eo nd i s c h a r g es l o ta n dp l u n g ep o o li sp o s i t i v e p r e s s u r e o nt h eb o t t o m o f p l u n g ep o o lc h a n g es m o o t h l ya l o n g t h ew a ya n dt h e r ei sn o t p r o m i n e n t a t t a c ks p o t h e a do nt h eb o t t o ma n ds i d e w a l lo f p l u n g ep o o lh a s 丌t 四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 m e i o b a r , r e a r i sr e s th y d r a u l i c p r e s s u r ed i s t r i b u t i n g 4 d i s c r e t i o n r i d g et y p ep a r t i t i o nd i s c h a r g e s t r e a mt of o r ms t a g g e r m u l t i l e v e ls u b m e r g e dj e t se a c ho t h e ra n df o r mm a n yd i f f e r e n ts c a l ea n d s h a p ee d d y , s oe n e r g yd i s s i p a t i o n r a t i oi si m p r o v e n o t a b l y 5 c o m p a r i n g l a t t e rc a s ew i t hf o r m e rc a s e ，f o rl a t t e rc a s ew h e n t o p h o l e s d i s c h a r g eb yo n e s e l f , f l o wp a t t e mi si m p r o v e dg r e a t l y e n e r g yd i s s i p a t i o n r a t i o i m p r o v e v e l o c i t y o ff l o wo nb o t t o mo fp l u n g e p o o l i n c r e a s e c i r c u m f l u e n c e l e n g t h m i n i s h 6 t h e r ea r en o tv i s i b l es t e a d yu p r i g h te d d yf o ra l l 16w o r kc o n d i t i o n s b u t o n l y n o 1a n dn o 7o fl a t t e rc a s ea p p e a rd i s s o c i a t e dp e r f o r a t i v eu p r i e 出t e d d y o nt h eb o t t o m o f p l u n g ep 0 0 1 7 t h ep a p e rm a k eak i n do fo p t i m i z a t i o nt ox i a n gj i ab a sd i s c r e t i o n r i d g et y p e i nt h ef u m r e ，m o r eo p t i m i z a t i o nt y p e ss h o u l db er e s e a r c ha n d e n e r g yd i s s i p a t i o n m e c h a n i s ms h o u l db e i n d e p t hs t u d y 8 m u l t i l e v e l s u b m e r g e d j e t si se n v i r o n m e n t a l i s t i c d i s s i p a t e r , i s a p p l i c a b l e f o rg r e a ta n dm i d d l e p o w e r s t a t i o n sw h i c ha r e h i g h w a t e r h e a d ，b i g f l u xa n ds p e c i a lr e q u e s tf o rs h i pa n ds u r r o u n d i n g s s oi th a sp r e f e r a b l e a p p l y i n gf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：f o u n d a t i o n a ls u b j e c to f h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，3 - df l o w f i e l d ，t u r b u l e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，v o f , m u l t i l e v e l s u b m e r g ej e t ， e n e r g yd i s s i p a t i o n 四川大学博士后山站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 爿 c 叩。 卢 c p 主要符号表 断面面积 紊流模型常数 紊流模型常数 紊流模型常数 紊流模型常数 紊流模型常数 紊流模型常数 紊流模型常数 扩散系数 对流通量 流体紊动能 断面法向单位矢量 压力 p e c l e t 数 紊动能生成项 流量 源项 速度分量u , v , w 壁面摩阻流速 笛卡儿坐标系的坐标 代表x y , z 坐标 近壁点p 到壁面的距离 水的体积率函数 空气的体积率函数 中间系数 紊动能耗散率 常数 分子粘性系数 b o u s s i n e s q 涡粘性系数 流体密度 水的密度 空气的密度 广义变量 i 力幺 五 力力 哆产 i 产 量 剐 听吒d c。片妒只瓯q舭啪u辨巩叭吼r。盯“p风以 四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 1 绪论 随着我国国民经济的快速发展，对能源的需求量越来越大u - 3 。众所周知， 水电作为可再生的洁净能源，开发水电有利于防止污染、保护环境，有利于 提高资源利用率，创造巨大的经济、社会的综合效益。中国水能资源得天独 厚，其理论蕴藏量居世界第一。目前为止，我国已开发的水电资源仅占水能 资源理论蕴藏量的2 5 。由于党和政府重视水电开发，中国水电建设迅猛发 展，中国水电产业发展前景巨大。我国水能资源分布极不平衡，广大的西部 地区水能资源占全国的7 5 ，但其开发率仅为8 。西部大开发是中国面向 新世纪作出的重大决策，实施西部大开发战略，加快西部地区的经济开发， 必将激活西部地区丰富的水电资源，带动西部地区水能资源的开发。随着水 电开发的不断深入，许多大型水电工程开始或即将兴建。这些工程大多具有 高水头、大流量的特点，其泄洪消能是这些工程的关键性技术难题，长期以 来一直受到设计、科研和高等院校等部门的高度重视。现阶段，大多数水利 工程采用的泄洪消能方式主要有挑流消能、底流消能和面流消能三种型式。 挑流消能形式结构简单，消能效果显著，缺点是要求下游河床具有较高的抗 冲能力，同时挑流泄洪时产生较为严重的溅水、雾化，危及厂房电器的正常 运行，以及造成两岸边坡失稳等地质灾害。传统的底流消能雾化较低，但i 盗 底流速大，底板的抗冲保护难度很大。面流消能雾化影响介于挑流消能和底 流消能之间，但面流消能型式由于水流衔接情况难以控制，消力池后流速高， 波浪大，常常造成下游河岸的冲刷破坏，目前我国已较少单独采用。 向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末一个梯级，坝址位于四川省 宜宾县和云南水富县之间。电站下距宜宾市3 3 k i n ，离水富县城l b n 。电站的 开发任务以发电为主，总装机容量6 0 0 0 m w , 同时改善上、下游通航条件， 结合防洪和拦沙，兼顾灌溉，并且具有为上游梯级进行反调节的作用。向家 坝水电站设计洪水( p = o 2 0 0 ) 入库流量4 1 2 0 0 挣胁，校核洪水( p = 0 0 2 ) 入库流量4 9 8 0 0m 3 s 。其中，校核洪水隋况上下游水位差8 5 m ，最大下泄总 功率约4 0 0 0 0 m w , 消力池内最大单宽流量为2 2 5 s m ，消力池入池流速达 3 5 m s 左右。向家坝水电站泄洪消能设计的主要特点是：高水头，大单宽流 量，多泥沙。下泄消能建筑特紧邻水富县城和大型企业云南天然气化工厂， 应尽可能减轻泄洪消能对环境带来的影响，不能采用雾化影响比较严重的挑 流消能形式，初步设计采用了底流消能形式。但由于水头高、流量大，消力 池临底流速高，严重威胁泄洪安全，因此，泄洪消能问题遂成为向家坝工程 l 1 ) q 大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 设计中的重大技术难题。国家电力公司对向家坝的泄洪消能问题十分重视， 专门设立“高水头、大单宽流量底流消能技术研究”课题，对向家坝水电站 的泄洪消能枢纽布置开展了多方面的研究。为此，四川大学高速水力学国家 重点实验室结合向家坝水电站泄洪消能特点和对雾化有严格限制的要求，与 设计单位共同提出了多股多层水平淹没射流这一新型消能方式。多股多层水 平淹没射流消能将下泄的高速水流分成多股、多层分别进入下游消能水体的 中部，使高速射流远离消力池底板，利用水体中的高速强剪切紊动和漩滚来 消刹余能。在中南勘测设计研究院的大力支持和共同努力下，对该消能布置 形式已作了较多的水工模型试验研究，初步研究表明该消能型式消能率高、 能有效减少消力池底板的临底流速和脉动压强，降低出池水流的波动，在水 面形成稳定的淹没水跃，能有效控制因消能引起的雾化现象。这种消能型式 特别适用于高水头、大单宽流量，而且下游消能消力池水深较大的泄水建筑 物，尤其适用于对航运和环境有特殊要求的大型水利工程，具有较好的推广 应用前景。显然，这种消能型式比既有跌坎又有对称扩宽的空间三元水跃水 力特性和消能机理更加复杂。在研究过程中还发现，这种新型消能型式在提 高消能率和稳定流态的同时，消力池中的紊动更加剧烈，消力池中不同程度 地出现了横轴漩滚和立轴漩滚。由于该新型消能形式具有显著的工程实践意 义，而在国内外尚未有工程应用的实例。因此，充分论证该泄洪消能布置方 案的可行| 生和优越性无疑有蓿重要的理论价值和实际意义。随着全社会环保 意识的加强，国家对环保的不断重视，这种环保型的消能型式的推广应用更 具有显著的社会效益。 1 1 国内外研究现状 多股多层水平淹没射流消能是基予空间三元水跃消能机理和挑流多股淹 没射流消能机理的基础上，为解决高水头、大单宽流量底流消能临底流速过 高的问题提出的。多股多层水平淹没射流消能兼有空间三元水跃和淹没射流 两种流动特性，因而，有自身独特的水力特性和消能机理。关于多股多层水 平淹没射流水力特性和消能机理的研究，目前在国内外尚未有其它相关研究 报道。但是，对水跃的研究已有一百多年的历史，尤其是对于平底矩形槽内 的二元自由水跃，已取得了大量的试验资料和比较完整的、可靠的水力设计 方法。随着工程经验的积累和认识水平的不断提高，研究发现，具有跌坎和 突扩的空间三元水跃能够适应不同的下游水位，其流态稳定性和消能效果要 优于二元水跃，尤其是解决了底流消能临底流速大，消力池底板稳定性等问 题比较突出的难题。国内外许多学者，如r 卸a i l 咖锄( 1 9 6 8 ) 、郭子中( 1 9 8 2 ) 、 四川大学博十后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 h a g e r ( 1 9 8 5 ) 、s a m i r a l i e a d ( 1 9 9 8 ) 、1 w a o o h t s u ( 1 9 9 9 ) 等h ”对水跃进行 了大量的试验研究。研究内容涉及水跃形态，流速分布及扩散衰减规律，消 力池底板脉动压力特性，消能特洼等诸多方面。s a m i r a l ie a d ( 1 9 9 8 ) 1 0 】的研究 表明，对于跌坎底流消能，跌坎高度对下游水流流态的影响非常明显，随着 坎高的增加，下游流态由底流流态向面流流态过渡，特别是在出坎水流单宽 流量较大、下游水位变化较大时，流态极不稳定，在泄流过程中，一段时间 表现为底流流态，另一段时间为面流流态，这种不稳定的水流条件对泄水建 筑物的安全运行极为不利。对于只有突扩的底流消能，突扩比将影响下游水 流的流态。1 w a o o h t s u ( 1 9 9 9 ) 【i ”的研究表明，在b h o = 5 - 2 0 ( b 一射流出口宽 度；h o 一射流出口水深) 的条件下，当突扩比( = b b ，b 一下游总宽度) 大于 0 9 ，下游流态才是稳定的。k a t a k a m ( 1 9 9 8 ) 【l2 】对既有跌坎又有对称扩宽的 底流消能水力特性进行了研究。研究表明，既有跌坎又有对称扩宽的底流消 能，消能率最高，而且流态最稳定，与下游水位的适应性较好。但是，既有 跌坎又有对称扩宽的空间三元水跃，它在何种条件下能够保持流态稳定? 水 力特性如何? 消能机理如何? 等等许多问题目前还没有进行系统的研究。 射流在各个工程领域的应用十分广泛，对其研究较为深入。在水利水电 工程中，消能方式多采用挑流消能和底流消能，泄洪时宣泄的水流以淹没射 流的方式进入下游水垫塘，撞击水垫塘底板，其最大的流速随着坝身的不断 加高将达到5 0 m s 量级甚至更高，入射水流携带的巨大能量一方面在水垫塘 紊动扩散和冲击塘底的过程中被消散掉，另一方面，剩余的能量可能引起水 垫塘底板的破坏、护坦失稳破坏、岸坡的淘刷以及建筑物的振动等问题圈。 这种高速淹没射流的巨大的破坏作用引起人们的足够的重视，对其进行深入 细致的研究。f h a r t t m g 等首先对射流在水垫中的扩散规律进行实验研究， 测得射流在水垫中按直线形式扩散 2 3 l 。1 9 6 2 年余常绍 2 4 1 对垂直纯水射流的扩 散进行了试验研究，得到了射流中心轴线上的速度变化规律及射流的扩散宽 度；1 9 8 3 年许多鸣、余常绍又得到平面水射流的最大冲击压强( 滞点压强) 和射流影响宽度1 2 5 1 ；1 9 8 5 年崔广涛 2 6 1 在其论文中得到“幽。与流程的开方i 呈直线关系。绚为射流入水流速，为射流轴线流速，1 9 9 1 年杨永全、许唯 临对水垫塘内淹没射流的数值研究中验证了该关系 2 7 1 。1 9 9 2 年罗铭、郭亚昆 得到水流速度衰减与水垫深度的关系 2 8 1 。董志勇等人1 2 9 1 研究认为，最大时均 压力以双曲线规律随水垫深度的增加而递减。刘沛清、杨国瑞通过分析整理 二滩、小湾等工程实验资料得到了动水压力的计算公式p o 。董志勇等人在 1 9 9 3 年、1 9 9 4 年对二维射流作用于水垫塘底板的动水压强进行系统试验。试 验表明：将底板的时均压强分布无量纲化后，具有很好的自模性，符合正态 四川人学博士后山站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 分布口”。许唯临、邓军研究了对掺气水射流对水垫塘底板的压力影响3 】。 近年一些先进的量测仪器也运用到射流的研究中，加深了对射流的认识。2 0 0 0 年华明等人用a d v 技术测量了圆射流阱1 ；2 0 0 1 年杨永印等人利用p i v 技术 对淹没冲击水射流的动力学特性进行研究网。 1 2 数模研究现状 计算流体动力学( c f d ：c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ，也称计算流体力 学) 是近代流体力学、数值计算数学和计算机科学相结合的产物。随着计算 机软硬件的快速发展和计算方法的不断改进，它迅速发展成为与理论流体力 学和实验流体力学相辅相成、并驾齐驱的重要研究手段。 1 2 1 紊流流场的数值模拟方法 自然界的流动大多属于紊流。紊流是一种高度复杂的随机、非定常、三 维的有旋流动，紊流中流体的各种物理参数如速度、压力、温度、动量等时 间与空间发生随机变化，使得求解异常复杂。自从雷诺1 8 8 3 年发现紊流现象 以来，“1 0 0 多年来的艰苦努力仍然没有能够攻克这一顽固堡垒，至今仍然看 不到解决的前景” 3 6 o 但是为了解决工程中遇到的紊流的问题，人们仍然不 得不面对这一难题。紊流的流动结构是由各种尺寸的涡组成，涡团尺寸比分 子平均自由程大得多，紊流的速度脉动相对于分子间的无规则碰撞的频率较 小。因此，n a v i e r - s t o k s 方程和连续方程仍然能精确描述紊流1 3 7 1 。尽管这并未 得到严格的证明，但近百年的紊流研究的实践表明，这种假设与实际情况并 未发生矛盾。因此，除理论工作者仍在继续对紊流现象进行理论分析外，计 算流体力学工作者也可利用n a v i e r - s t o k s 方程的数值模拟来解决工程实际问 题，并已取得相当多的成果。 ( 1 ) 直接模拟 直接数值模拟( d n s ：d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 是采用非定常的全 n a v i e r - s t o k s 方程对紊态流场直接进行数值计算的方法。这种方法可能会得到 除分析解外最为精确的数值解。这种方法自1 9 7 2 年o r s z a 9 1 3 别提出以来发展较 快。我国的孟庆国( 1 9 9 5 年) 【3 9 】用谱方法对方腔中的旋涡运动、许春晓( 1 9 9 5 年) 1 4 0 l 对槽道湍流进行了直接数值模拟。但直接模拟方法要求巨量的计算网 格使得目前的技术能力尚难满足实际工程应用的需要。 ( 2 ) 大涡模拟 大涡模拟( l e s ：l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 的基本思想是认为紊流是由许 多大小不同的旋涡组成的，大旋涡对主流的运动有比较明显的影响，小旋涡 四川大学博十后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 则通过非线性作用对大尺度运动产生影响。大涡的作用是完成质量、动量、 热量等参量的交换，小涡的作用表现为参量的粘性耗散。它最早由气象学家 s m a g o r i n s k y 0 i 】于1 9 6 3 年提出，大涡模拟只通过n s 方程直接模拟大于某尺 度涡的运动，这个尺度通常是离散网格的尺度，而对于小于这个尺度的涡用 模型来同大尺度的涡建立联系。建立合理的的亚格子尺度( s g s ：s u b g r i d s c a l e ) 模型是l e s 方法的关键，其中应用最为广泛的是经典的s m a g o r i n s k y 涡粘性模型。 d e a r d o r f f ( 1 9 7 0 年) 【4 2 1 第一次将l e s 用于模拟三维渠道流动，取得了与 实验一致的结果。m o i n ( 1 9 8 2 年) 等【4 习又用加密的网格重新计算了该问题。 我国苏铭德最早开始l e s 研究，1 9 8 6 年提出了用于大涡模拟的代数模型，把 大涡模拟方法用于弯曲槽道( 1 9 8 9 ) m 、平直槽道( 1 9 9 0 ) 4 5 1 、直方管和弯 方管( 1 9 9 4 ) 问内湍流流动模拟；张昌兵( 2 0 0 2 ) 4 7 1 采用弱可压大涡模拟技 术计算了混流式水轮机内部流动，曲景学( 2 0 0 1 ) 1 4 8 , 4 9 、张昌兵( 2 0 0 3 ) 嗍 采用弱可压大涡模拟技术对消能孔板空化特性的进行了研究。 ( 3 ) 雷诺时均法 目前工程应用中最为普遍的方法是采用雷诺时均的n a v i e r - s t o k e s 方程法 ( r a n s ) ，时均之后的n s 方程不封闭，就要求辅以各种紊流模型来封闭， 包括了涡黏模型( o 方程模型，1 方程模型，双方程模型) 和雷诺应力模型( 雷 诺应力方程模型，代数应力模型) 1 5x 4 3 等。按照陶文铨田1 的分类，近几十年 来发展的紊流模型可用图1 1 所示的紊流模型分类树表示。 图1 - 1 紊流模型分类树 目前应用最广泛并经过充分验证的是基于b o u s s i n e s q 假设的紊流粘性系 数法导出的k - s 两方程模型，杨永全、许唯临、廖华胜、戴光清等人首先将 该模型应用到泄洪消能工程中，如二滩、小湾、溪洛渡、拉西瓦等大型水电 站泄洪消能设计中伫7 舶螂1 。许唯临等人( 1 9 9 6 ) 也将此模型应用到天然河道流 删艇魁删一一删 删删糊 u a u 方甘常混一j 型 型 使 模 场 能 度 动 逮 紊 均 均 平 平 型 型 模 模 体 体 流 流 单 双法 法rl程程 法 方 方 数 分 数 系 微 代 性 量 量 粘 通 通 蠡 力 力 紊 应 应 型 暮| 模 模 点 点 争 两 型模流紊 四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 场的数值模拟中惭】，取得较好效果。在水跃、射流的数值模拟中，双方程缸 s 模型也取得很好效果1 6 黏7 4 。此外代数应力模型( a s m ) 的应用也较多，许唯临、 戴光清等人将此模型应用到水垫塘流场的数值计算1 7 5 - 7 8 1 。总之，目前雷诺时 均紊流模型在理论和应用上都已经在许多具有重要工程应用背景的湍流计算 中取得成功，应用也最为广泛。 除了上述三种数值计算方法外，还有投影法俘翻和格子机法 8 3 , 8 4 1 。从目前 的发展来看，雷诺时均法和大涡模拟是工程应用的主流，而投影法和格子机 法是今后研究的重点和方向，直接数值模拟的应用还有待进一步的完善。 1 2 2 自由表面的追踪 可动边界流动问题中一种典型但又难以模拟的流动现象是具有自由表面 的流体的流动，同时这种流动在自然界是一极普遍的现象，如何追踪模拟自 由表面一直是数值模拟研究的重点，也是c f d 技术中的一个难点。对自由水 面模拟的方法有刚盖假定、高度函数法( h o f ) 、标记网络法( m a c ：m a r k e r a n d c e l l ) 和体积率函数法( v o f ) ，l e v e ls e t ( 水平集方法) 等方法。 ( 1 ) 刚盖假定 刚盖假定方法是将自由液面看作是一个可移动的固体壁面，直接采用固 体壁面的无穿透条件，仅适用于大水体的宏观运动。许唯临、戴光清等人 5 8 - 6 3 1 采用刚盖法计算了水垫塘的三元流场。邓军采用刚盖法模拟了基岩冲刷的发 展过程和水垫塘流态p 2 】。后来许唯临、廖华胜等人对此方法进行了改进一一 弹性盖法 6 4 , 7 5 , 8 5 , 8 6 。 ( 2 ) 高度函数法 高度函数法计算简单，用水位高度或水深来描述自由面的位置，但水深 必须是单值函数，确定自由液面的位置。该方法适用于非恒定自由表面问题， 但无法处理如射流、波浪破碎等高度函数为多值的情况。 ( 3 ) 标记网络法( m a c ) m a c 方法最初是由h a r l o w 和w e l c h 提出的i s 7 , 8 8 1 ，它在流动场中加一组 无质量、动量、能量，只有坐标位置的标记点来描述自由表面所在的位置， 它直接求解的是用原始变量表示的n s 方程。许多作者对m a c 方法进行了 改进，如a m s d e n 和h a r l o w 的s m a c ( s i i m p l i f i e dm a c ) 8 9 1 方法，s t a n f o r d 大学 c h a r t s t r e e t 的s u m m a c l 9 0 1 方法，v i e c e l l i 的a b m a c ( a r b i r a r yb o u n d a r y m a c ) t 9 1 1 方法，东京大学m i y a t a 和n i s h i m u r a 的t u m m a c 9 2 , 9 3 1 等。 国内潘存鸿( 1 9 9 3 ) 【蚴、杨小亭( 1 9 9 7 ) 9 5 1 、高学平( 2 0 0 2 ) 9 6 1 、易淑 群( 2 0 0 2 ) 1 9 7 1 等使用的m a c 方法，熊俊( 2 0 0 1 ) 【9 硼等使用的s a m c 方法； 四川大学博十后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 王云华( 1 9 9 8 ) 1 9 9 等用了s o l a - - m a c 方法；崔海波( 2 0 0 2 ) 【1 0 0 l 使用了f e m - - m a c 方法。 ( 4 ) 体积率函数法( v o f v o l u m e o f f l u i d ) 为了改善m a c 法的性能，特别是克服m a c 需要使用大量的内存来标志 流体的缺点，h i r t & n i c h o l s 1 0 l l 于1 9 8 1 年提出了v o f 方法，该方法是用体积 率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，它不追踪质点的运动，易 于实现、计算量小、精度高，并且可以处理自由面折叠、自由面入水等强非 线性问题。因此在国内外得到极为广泛的应用1 1 眩0 1 。 ( 5 ) l e v e ls e t ( 水平集方法) 1 9 9 8 年o s h e r 和s e t h i a n 等人【1 “】提出了l e v e ls e t 方法，其主要思想是将 自由液面定义为一个函数为零的等值面，然后始终保持它是零等值面，并且 在自由面附近保持单调。国内的陈耀松( 1 9 9 9 ) 等人 1 1 2 1 用改进的l e v e ls e t 方法计算了考虑m a r a n g o n i 效应的液桥自由面及内部涡流；陶建华( 1 9 9 9 ) 等人【1 1 3 】计算了二维溃坝波的传播过程。 目前以v o f 法和l e v e ls e t 法最为常用，是自由表面模拟的主流方法。 1 2 3 水跃、淹没射流的紊流数值模拟研究现状 国外对水跃的进行数值计算开展较早，m af ( 2 0 0 0 ) 、h o u y ( 2 0 0 0 ) 、 s a k a r y a a ( 1 9 9 4 ) 、l o n g d & r a j a r a t n a m n ( 1 9 9 1 ) 等人陋“1 对淹没水跃进 行了数值模拟。国内杨建明、吴建华1 7 2 1 ，刘清朝、陈春庭 1 h 】，许卫新、顾兆 勋 1 1 5 1 对水跃开展了数值模拟研究，加深了对水跃的机理的认识。 国内外对淹没射流的数值计算的研究也较多，g u o y ip e n g 等人( 2 0 0 2 ) 1 1 6 ) 模拟了淹没水射流，得到涡量场。杨永全、许唯临等人 2 7 , 5 8 - 5 啦- 6 3 1 对水垫塘内 淹没射流进行了数值模拟，将底板的时均压力换算成平均流速，得到的计算 值与实测值( 罗铭、郭亚昆 2 8 】，1 9 9 0 ) 吻合良好，还得到了流速沿程衰减的 规律、紊动能及各向雷诺应力在流场内的分布特性。陈永灿( 1 9 9 2 ) 等人【1 1 刀 采用边界积分方法计算了平底河床下各种来流入射角的射流，得到射流作用 下的床面压力分布。戴光清等 a ) - 6j 采用紊流代数应力模型( a s m ) 及改进算 法对二元水流，不同入射角，不同层数的挑射水流进入平底水垫塘后的水流 状态进行数值模拟，并对计算结果进行了试验验证。田忠( 2 0 0 3 ) 1 1 8 1 对高速 淹没射流进行了试验和数值模拟研究，分析了不同流速级别下挡板的最大冲 击压强无量纲化数的变化规律。王晓松、陈璧宏( 2 0 0 0 ) 1 6 7 1 采用标准的缸s 紊流模型对尾水河道冲击射流进行了三元流场模拟，并用v o f 方法跟踪自由 面的形状和位置，得到了水舌入水中心断面的时均压力等值线图。 四川人学博士后山站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 1 3 本文的研究内容 多股多层水平淹没射流消能兼有空问三元水跃和淹没射流两种流动特 性，有自身独特的水力特性和消能机理，目前在国内外尚未有相关研究报道。 近年来，随着计算机技术和数值分析技术的发展，工程水力学的研究己 从传统的总流概念、半经验、半理论的研究方法发展为流场的概念和数值模 拟的方法。多股多层淹没射流的紊动剧烈，流态相当复杂，现有的测试手段 很难详细了解消力池内部的旋涡结构和强度，而数值模拟技术则能弥补物理 模型测试手段的不足，能够得到详细的流场水力特性，如流速及压强分布、 紊动能及其耗散率分布等，从而为分析消力池的水动力特性及消能特性提供 有力的科学依据。采用数值模拟手段研究消力池水力特性具有优化体型方便， 节约财力，节省时间，不存在比尺效应等优点，在向家坝泄洪消能研究已进 行到相当深入的现阶段，及时开展数值模拟研究是十分必要的。 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 泄洪工况数学模型研究 在向家坝高低坎方案的体型尺寸条件下，针对各种泄洪工况，通过数值 模拟计算，获得消力池详尽的流场资料，如流速分布，边壁压强分布，紊动 能分布和紊动能耗散率分布等，根据计算结果，计算涡漩强度及其分布，分 析消力池内立轴旋涡和横轴旋涡及其衰减情况，了解中隔墙后及消力池底板 是否存在如“马蹄涡”等不利的水流流态。 ( 2 ) 数学模型计算结果与物理模型试验结果的对比分析 从数值计算泄洪工况结果中选择三到五组工况，用特征部位的物理模型 试验结果检验数学模型计算结果的正确性，例如，消力池底板临底流速，冲 击点最大时均压强，中孔泄槽测壁时均压强及水流空化数等。以判断数学模 型的计算精度，并进一步完善数学模型。 ( 3 ) 建筑物体型优化设计 在几种不同洪水工况条件下，改变建筑物体型尺寸，进行模拟计算，比 较计算结果，优化建筑物体型。 ( 4 ) 更深入研究多股多层7 9 j l z , n 没射流的水力特性和消能的内在机制。 结合理论分析、物理模型试验和数值模拟，对多股多层水平淹没射流水 力特性和消能机理问题进行更深入和细致的研究，结合已获得的相关研究成 果，提炼出有共性的规律性成果，从而更深入了解和掌握多股多层水平淹没 射流水力特性和消能的内在机制，为该新型消能型式的工程推广应用奠定基 础。 四川大学博十后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究 2 计算模型的建立 在水利工程中，特别是高坝水利工程中，由于下泄水流速度高，紊动强 烈，常常把周围的空气卷入水流中，形成水气二相流，即掺气水流。它是 水利工程师和科研人员十分关注的问题，是高速水力学研究的个重要方面。 两相流的处理可以从宏观的连续介质理论或微观的分子运动论出发来研究问 题。而在许多工程实际问题中，并不要求单个分子的运动隋况，而是要求大 量的分子运动产生的效果，即宏观量，如压强、密度、流速等。所以，工程 中大都采用连续介质理论来分析两相流动问题。由于两相流动的多样性和复 杂性，往往根据流动的特征、精度要求，采用不同的物理模型和分析方法。 常用有v o f 模型、混合模型( m i x t u r em o