摘要：

      通過對大壩泄洪道CFD模擬，研究挑流消能對下游河床的沖刷影響情況(兩相流瞬態(tài)分析)水利水電三維多面體OPENFOAM

項(xiàng)目概述

挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，將下泄的急流拋向空中，然后落入離建筑物較遠(yuǎn)的河床與下游水流相銜接的消能方式。能耗大體分三部分：急流沿固體邊界的摩擦消能；射流在空中與空氣摩擦、摻氣、擴(kuò)散消能；射流落入下游尾水中淹沒紊動(dòng)擴(kuò)散消能。挑流消能通過鼻坎可在挑流范圍內(nèi)有效地控制射流落入下游河床的位置、范圍及流量分布，對尾水變幅適應(yīng)性強(qiáng)，河道簡單，施工、維修方便。但其下游沖刷較嚴(yán)重，堆積物較多，尾水波動(dòng)與霧化都較大。

挑流消能應(yīng)用較廣，適于中、高水頭，大、中、小流量的各類建筑物。本項(xiàng)目通過對大壩泄洪道cfd模擬，研究挑流消能對下游河床的沖刷影響情況。

模型簡化

模擬項(xiàng)目大壩壩高75米，寬80米，泄洪道寬15米，泄洪道落差50米，下游水位深度12米。

網(wǎng)格劃分

使用snappHexMesh工具對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為混合網(wǎng)格（如圖3）。網(wǎng)格具體信息參數(shù)如下表1所示：

表1網(wǎng)格信息參數(shù)

網(wǎng)格總數(shù)

         Point        Face       Cells

 

數(shù)量 16454125 48166615 15857526 
網(wǎng)格類型 
類型 hexahedra prisms tet wedges polyhedra 數(shù)量 15683828 19133 64 154501 網(wǎng)格質(zhì)量 
評價(jià)指標(biāo) 最大縱橫比 最小體積 最大非正交性 最大歪斜率 值 6.81 1.70e-3 49.50 4.16

泄洪道網(wǎng)格

物性參數(shù)

分析所涉及流場介質(zhì)主要包括水和空氣，sigma值取0.07，其相關(guān)物性參數(shù)如表2所示。

表2物性參數(shù)

---

水 1e-6 1000 空氣 1.5e-5 1

openfoam求解器設(shè)置

本項(xiàng)目為求解泄洪道兩相流流場，湍流模型選用kEpsilon，需分別設(shè)置對應(yīng)fvSchemes離散方法，fvSolution方程求解方法， setFieldsDict初始場液相體積分?jǐn)?shù)及求解控制參數(shù)。

離散方法fvSchemes設(shè)置

ddtSchemes //時(shí)間離散格式，該項(xiàng)目瞬態(tài)計(jì)算采用歐拉離散Euler

{default Euler;}

gradSchemes//梯度離散，采用高斯方法，線性插值，為二階離散

{default Gauss linear;}

divSchemes//散度離散，對流項(xiàng)采用高斯方法，線性插值，為二階離散，k、epsilon采用高斯迎風(fēng)格式，為一階離散

{default Gauss linear;div(rhoPhi,U) Gauss linearUpwind grad(U);div(phi,alpha) Gauss vanLeer; div(phirb,alpha) Gauss linear; div(phi,k) Gauss upwind; div(phi,epsilon) Gauss upwind; div(((rho*nuEff)*dev2(T(grad(U))))) Gauss linear;}

laplacianSchemes//拉普拉斯項(xiàng)離散，擴(kuò)散項(xiàng)及壓力方程離散均采用高斯理論線性插值，并帶有正交修正

{default Gauss linear corrected;}

interpolationSchemes//插值格式，默認(rèn)線性插值

{default linear;}

snGradSchemes//梯度法向分量，默認(rèn)帶有非正交修正

{default corrected;}

方程求解方法fvSolution設(shè)置

solvers

{"alpha.water.*"

{nAlphaCorr 2;

nAlphaSubCycles 1;

cAlpha 1;

MULESCorr no;

nLimiterIter 5;

solver smoothSolver;

smoother symGaussSeidel;

tolerance 1e-8;

relTol 0;

}

"pcorr.*"

{solver PCG;

preconditioner DIC;

tolerance 1e-5;

relTol 0;

}

p_rgh

{solver PCG;

preconditioner DIC;

tolerance 1e-07;

relTol 0.05;

}

p_rghFinal

{$p_rgh;

relTol 0;

}

"(U|k|epsilon).*"

{solver smoothSolver;

smoother symGaussSeidel;

tolerance 1e-06;

relTol 0;

minIter 1;

}

}

PIMPLE

{momentumPredictor no;

nOuterCorrectors 1;

nCorrectors 3;

nNonOrthogonalCorrectors 0;

}

relaxationFactors

{equations

{".*" 1;

}

}

液相體積分?jǐn)?shù)設(shè)置

defaultFieldValues

(volScalarFieldValue alpha.water 0

);

regions

(boxToCell

{box (47.5 -42.0 0.5) (243.0 0 12.0);

fieldValues

(volScalarFieldValue alpha.water 1

);

}

);

結(jié)果分析

泄洪道水流情況：

30s時(shí)泄洪道中水的相分?jǐn)?shù)如下圖所示：

                                                            30s時(shí)泄洪道水相分?jǐn)?shù)云圖

30s時(shí)泄洪道中水流速度如下圖所示：

                                                             30s時(shí)泄洪道速度云圖