论文部分内容阅读
【摘 要】 水利工程设计中常遇到一些特殊水工结构，常规水力学对它无能为力，模型试验费时、费力、费钱，本文通过实用案例介绍了三维数值模拟技术在水利工程设计中的应用。三维数值模拟技术可以仿真模拟水流流态特性、流速、水位等设计上关心的参数，它弥补了理论力学和模型试验在设计中的不足，三维数值模拟技术在水利工程设计中具有广阔的前景和发展。
【关键词】 水利工程设计;数值模拟;保水堰;河心岛;溢洪道
The Application of the 3D Numerical Simulation in Water Conservancy Project Design
Xu Guo-feng
Construction Management Department of Hebei，under the Middle Route of South-to-North
Water Trans fer Project Construction Management Bureau，Shijiazhuang，050035
【Abstract】 Some special hydraulic structures often encounter in water conservancy engineering design. The conventional hydromechanics is incapable of action. Model test is time consuming， laborious and costly. The application of 3D numerical simulation technology in water conservancy project design is introduced through practical cases in this paper. The3D numerical simulation can simulate flow characteristics， flow velocity and water level that are concerned in design. It makes up for the lack of theoretical mechanics and model test in design. The 3D simulation technology has broad prospects and development in water conservancy engineering design.
【Key Words】 Water Conservancy Project Design， Numerical Simulation， water conservation weir， the island in the middle of the river， the spillway
1.前言
水利工程设计工作中常常会遇到一些常规水力学无法计算的特殊构筑物等，如保水堰、带泄水孔溢流堰、河心岛等，难以用常规水力学方法对这些构筑物进行水力学计算，而水力学计算则是水利工程设计工作中必不可少的工作。近年来随着计算机软、硬件技术的迅猛发展，CFD技术日趋成熟，三维数值模拟在水利工程设计中越来越被重视。三维数值模拟即利用有限元软件建立数学模型，通过计算机对所要设计或研究的构筑物进行水流数值仿真模拟，得到各种需要的参数。有限元软件是数学、力学及计算机技术完美融合的结晶，在水利工程领域得到很广泛的使用。
2.三维数值模拟工作流程
（1）建立反映工程问题的数学模型。具体地说就是建立反映问题各个量之间关系的微分方程及其相应的定解条件，流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。
（2）寻求高效率、到精确度的计算方法。即建立控制方程的数学离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等，这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括边界条件的处理。
（3）编制程序和进行计算。这部分工作包括网格划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。
（4）显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查、判断、分析计算结果有重要参考意义。
3.三维数值模拟控制方程
连续方程：
（1）
动量方程：
（2）
紊动能方程：
（3）
紊动能耗散率方程：
（4）
式中，为方向的速度分量，;和分别为体积分数平均密度和分子粘性系数;为修正压力;为紊流粘性系数，它可由紊动能和紊动能耗散率求出：
（5）
式中，為经验常数，=0.09;
和分别为和的紊流普朗特数，=1.0，=1.3;和为方程常数，=1.44，=1.92;为由平均速度梯度产生的紊动能的产生项，定义为：
（6）
4.水利工程设计中的应用案例
4.1保水堰水力特性研究的应用
保水堰是南水北调工程天津干线分段低压输水系统中的一种新型构筑物。这种构筑物能够利用工程的结构特性自动调节水位，并分段降低多余的压力水头，是一种结构简单并且有实用价值的输水建筑物。保水堰是一种新型的水工建筑物，一般由进口、溢流堰和出口三部分组成。中间溢流堰部分存在自由水面，两边为有压流。其水力特性参数目前尚无现成资料可以借鉴，通过三维数值模拟技术得出了保水堰不同流态水力特性和不同水位局部阻力系数等特性参数，对南水北调天津干线的设计提供了依据和参考。（见图1-图3） 图1 保水堰网格图
图2 保水堰淹没堰流 图3 保水堰自由堰流
4.1某河心岛去留问题的应用
北京某闸位于距北运河与凉水河交汇口下游约300m的主河道中间的圆锥形裹头河心岛上，由12孔的西闸和7孔的东闸组成，两闸分别于1968年、1973年建成，主要工能是担负北运河与凉水河区域的防洪和灌溉任务。2002年对该闸进行了安全鉴定，鉴定结论为四类病险闸，应报废重建。但是河心岛的保留还是拆除是该闸重建面临的最大问题。由于本工程正处于两河交汇处，而且两支流汇合后又由河心岛分隔成两股水流，此处水流条件复杂，对河心岛闸的布置方案影响较大。常规水力学无法进行计算，模型试验周期长、费用高，采用三维数值模拟技术从水流流态、壅水、流速分布等方面通过数学模型成功地分析论证了河心岛的去留问题。
图4 河心岛及两侧闸现状图
图5 保留河心岛网格图 图6 拆除河心岛网格图
图7 保留河心岛洪水流态图 图8 拆除河心岛洪水流态图
4.2某水库除险加固中的应用
河北省某水庫溢洪道位于主坝左岸的马鞍形峡谷内。溢洪道分为正常溢洪道、非常溢洪道两部分。正常溢洪道位于溢洪道右侧，非常溢洪道位于溢洪道左侧，以中隔墙与正常溢洪道相隔。正常溢洪道陡槽和非常溢洪道陡槽交汇于峡谷始端，泄洪时，两溢洪道下泄洪水汇合后，沿马鞍形峡谷奔流而下。
通过三维数值模拟技术对溢洪道泄洪水流进行模拟，发现马鞍形峡谷下游左侧一带存在一凸出山体，对下泄洪水有顶冲作用，使主流偏向大坝方向，下泄洪水回流冲刷坝脚，威胁大坝安全。修改数值模型，对凸出山体拆除后，重新模拟泄洪水流，结果不影响大坝安全。
图9 河北某水库溢洪道模型网格
图10 洪水泄流溢洪道流态图
图11 下游左侧凸出山体拆除后网格格及流态图
5.结论
数值模拟方法的特点是在花费小、时间短的情况下能够给出比模型试验更详细的内部流动细节，并且只要数值模拟的控制方程、边界条件和数值算法是正确的，则可以在较广泛的流动参数（如雷诺数、空化数等）和物理设计参数范围内能较快的给出流场的定量结果，不受试验中固有的约束条件的影响。因此，三维数值模拟在水利工程设计中有着广阔的应用前景，得到了工程界的广泛认可和关注，但是，数值模拟方法存在一定的假设，模型本身也是不断发展的，模拟精度有时候也难以达到人们预想的要求。采用三维数值模拟技术对水流进行模拟并不是单纯的一种数学方法和计算技术，数值模拟过程离不开水利工作者的专业知识和工程经验。
参考文献：
1.李晓峰，刘玉存，数值模拟技术的工程应用与发展趋势[J].机械管理开发，2008年4月，第2卷第2期（总第10期），54～55.
2.艾海峰，三维水流数值模拟及其在水利工程中的应用[D]，天津大学硕士学位论文，2005年12月.
3.许国锋，刘树玉，杨敏，南水北调保水堰水利特性研究及体型优化[J].人民长江，2007，38.43～45，47.
4.许国锋，刘树玉，数值模拟技术在榆林庄闸设计中的应用[J].电网与水力发电进展，2007，23（2），59～62.
5.许国锋，杨锋，梁素伟，数值模拟技术在横山岭水库除险加固中的应用[J].南水北调与水利科技，2009年4月，第7卷第2期，93～95.
作者简介：许国锋，汉族，男，1980年2月生，工程师，从事水利工程管理及研究，籍贯：河北井陉。
【关键词】 水利工程设计;数值模拟;保水堰;河心岛;溢洪道
The Application of the 3D Numerical Simulation in Water Conservancy Project Design
Xu Guo-feng
Construction Management Department of Hebei，under the Middle Route of South-to-North
Water Trans fer Project Construction Management Bureau，Shijiazhuang，050035
【Abstract】 Some special hydraulic structures often encounter in water conservancy engineering design. The conventional hydromechanics is incapable of action. Model test is time consuming， laborious and costly. The application of 3D numerical simulation technology in water conservancy project design is introduced through practical cases in this paper. The3D numerical simulation can simulate flow characteristics， flow velocity and water level that are concerned in design. It makes up for the lack of theoretical mechanics and model test in design. The 3D simulation technology has broad prospects and development in water conservancy engineering design.
【Key Words】 Water Conservancy Project Design， Numerical Simulation， water conservation weir， the island in the middle of the river， the spillway
1.前言
水利工程设计工作中常常会遇到一些常规水力学无法计算的特殊构筑物等，如保水堰、带泄水孔溢流堰、河心岛等，难以用常规水力学方法对这些构筑物进行水力学计算，而水力学计算则是水利工程设计工作中必不可少的工作。近年来随着计算机软、硬件技术的迅猛发展，CFD技术日趋成熟，三维数值模拟在水利工程设计中越来越被重视。三维数值模拟即利用有限元软件建立数学模型，通过计算机对所要设计或研究的构筑物进行水流数值仿真模拟，得到各种需要的参数。有限元软件是数学、力学及计算机技术完美融合的结晶，在水利工程领域得到很广泛的使用。
2.三维数值模拟工作流程
（1）建立反映工程问题的数学模型。具体地说就是建立反映问题各个量之间关系的微分方程及其相应的定解条件，流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。
（2）寻求高效率、到精确度的计算方法。即建立控制方程的数学离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等，这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括边界条件的处理。
（3）编制程序和进行计算。这部分工作包括网格划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。
（4）显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查、判断、分析计算结果有重要参考意义。
3.三维数值模拟控制方程
连续方程：
（1）
动量方程：
（2）
紊动能方程：
（3）
紊动能耗散率方程：
（4）
式中，为方向的速度分量，;和分别为体积分数平均密度和分子粘性系数;为修正压力;为紊流粘性系数，它可由紊动能和紊动能耗散率求出：
（5）
式中，為经验常数，=0.09;
和分别为和的紊流普朗特数，=1.0，=1.3;和为方程常数，=1.44，=1.92;为由平均速度梯度产生的紊动能的产生项，定义为：
（6）
4.水利工程设计中的应用案例
4.1保水堰水力特性研究的应用
保水堰是南水北调工程天津干线分段低压输水系统中的一种新型构筑物。这种构筑物能够利用工程的结构特性自动调节水位，并分段降低多余的压力水头，是一种结构简单并且有实用价值的输水建筑物。保水堰是一种新型的水工建筑物，一般由进口、溢流堰和出口三部分组成。中间溢流堰部分存在自由水面，两边为有压流。其水力特性参数目前尚无现成资料可以借鉴，通过三维数值模拟技术得出了保水堰不同流态水力特性和不同水位局部阻力系数等特性参数，对南水北调天津干线的设计提供了依据和参考。（见图1-图3） 图1 保水堰网格图
图2 保水堰淹没堰流 图3 保水堰自由堰流
4.1某河心岛去留问题的应用
北京某闸位于距北运河与凉水河交汇口下游约300m的主河道中间的圆锥形裹头河心岛上，由12孔的西闸和7孔的东闸组成，两闸分别于1968年、1973年建成，主要工能是担负北运河与凉水河区域的防洪和灌溉任务。2002年对该闸进行了安全鉴定，鉴定结论为四类病险闸，应报废重建。但是河心岛的保留还是拆除是该闸重建面临的最大问题。由于本工程正处于两河交汇处，而且两支流汇合后又由河心岛分隔成两股水流，此处水流条件复杂，对河心岛闸的布置方案影响较大。常规水力学无法进行计算，模型试验周期长、费用高，采用三维数值模拟技术从水流流态、壅水、流速分布等方面通过数学模型成功地分析论证了河心岛的去留问题。
图4 河心岛及两侧闸现状图
图5 保留河心岛网格图 图6 拆除河心岛网格图
图7 保留河心岛洪水流态图 图8 拆除河心岛洪水流态图
4.2某水库除险加固中的应用
河北省某水庫溢洪道位于主坝左岸的马鞍形峡谷内。溢洪道分为正常溢洪道、非常溢洪道两部分。正常溢洪道位于溢洪道右侧，非常溢洪道位于溢洪道左侧，以中隔墙与正常溢洪道相隔。正常溢洪道陡槽和非常溢洪道陡槽交汇于峡谷始端，泄洪时，两溢洪道下泄洪水汇合后，沿马鞍形峡谷奔流而下。
通过三维数值模拟技术对溢洪道泄洪水流进行模拟，发现马鞍形峡谷下游左侧一带存在一凸出山体，对下泄洪水有顶冲作用，使主流偏向大坝方向，下泄洪水回流冲刷坝脚，威胁大坝安全。修改数值模型，对凸出山体拆除后，重新模拟泄洪水流，结果不影响大坝安全。
图9 河北某水库溢洪道模型网格
图10 洪水泄流溢洪道流态图
图11 下游左侧凸出山体拆除后网格格及流态图
5.结论
数值模拟方法的特点是在花费小、时间短的情况下能够给出比模型试验更详细的内部流动细节，并且只要数值模拟的控制方程、边界条件和数值算法是正确的，则可以在较广泛的流动参数（如雷诺数、空化数等）和物理设计参数范围内能较快的给出流场的定量结果，不受试验中固有的约束条件的影响。因此，三维数值模拟在水利工程设计中有着广阔的应用前景，得到了工程界的广泛认可和关注，但是，数值模拟方法存在一定的假设，模型本身也是不断发展的，模拟精度有时候也难以达到人们预想的要求。采用三维数值模拟技术对水流进行模拟并不是单纯的一种数学方法和计算技术，数值模拟过程离不开水利工作者的专业知识和工程经验。
参考文献：
1.李晓峰，刘玉存，数值模拟技术的工程应用与发展趋势[J].机械管理开发，2008年4月，第2卷第2期（总第10期），54～55.
2.艾海峰，三维水流数值模拟及其在水利工程中的应用[D]，天津大学硕士学位论文，2005年12月.
3.许国锋，刘树玉，杨敏，南水北调保水堰水利特性研究及体型优化[J].人民长江，2007，38.43～45，47.
4.许国锋，刘树玉，数值模拟技术在榆林庄闸设计中的应用[J].电网与水力发电进展，2007，23（2），59～62.
5.许国锋，杨锋，梁素伟，数值模拟技术在横山岭水库除险加固中的应用[J].南水北调与水利科技，2009年4月，第7卷第2期，93～95.
作者简介：许国锋，汉族，男，1980年2月生，工程师，从事水利工程管理及研究，籍贯：河北井陉。