泄流壁面摻氣水流的數(shù)值模擬.pdf

1、摻氣水流是水利工程中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，也是一種典型的水氣兩相流，是高速水力學(xué)和水工水力學(xué)研究的重要內(nèi)容。由于水流中摻氣，它的運(yùn)動(dòng)特性與不摻氣相比，有很大變化，故很可能對(duì)水利工程產(chǎn)生各種有利或者不利的影響。研究摻氣水流，尤其是泄水建筑物中的摻氣水流，對(duì)解決實(shí)際的工程問(wèn)題，有很重要的實(shí)用價(jià)值。摻氣水流現(xiàn)象較為復(fù)雜，研究?jī)?nèi)容也較多，本文主要對(duì)考慮自由液面處空氣影響的摻氣水流進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　本文基于流體計(jì)算軟件Flow-3D，從N-S方

2、程出發(fā)，采用有限體積法離散控制方程，數(shù)學(xué)模型選用卷氣模型、多相流模型、湍流模型(RNGk-ε)，壓力求解采用GMRES算法。網(wǎng)格劃分采用Multi-block和FAVORTM技術(shù)結(jié)合的方法，運(yùn)用Flow-3D軟件分別對(duì)明渠自摻氣水流和泄流壁面摻氣坎水流進(jìn)行數(shù)值模擬，以參考文獻(xiàn)里的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。
　　運(yùn)用Flow-3D對(duì)明渠自摻氣水流進(jìn)行數(shù)值模擬，分別計(jì)算了進(jìn)口水深為5era、8cm、12em，對(duì)

3、應(yīng)流量為70L/s、100 L/s和155 L/s的三種工況，得出水流流態(tài)、初始摻氣點(diǎn)、斷面流速、摻氣濃度以及紊動(dòng)能和紊動(dòng)耗散率的分布規(guī)律。結(jié)果表明：水深增大時(shí)，初始摻氣點(diǎn)向下游移動(dòng)，這是由于增大水深空氣不易卷入水中，與實(shí)際理論吻合：斷面流速分布隨著進(jìn)口水深的增加而逐漸增大，而進(jìn)口水深相同時(shí)，斷面流速自渠底向水面先增大然后逐漸減小符合自摻氣水流的流速分布規(guī)律，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的差值，但變化趨勢(shì)相同；斷面摻氣濃度自渠底向水面方向逐漸增加，

4、且底部增幅較小，上部增幅較大。
　　對(duì)摻氣坎水流進(jìn)行數(shù)值模擬，得出3種不同單寬流量和3種不同坎高對(duì)水流流態(tài)、流速、摻氣濃度以及空腔特性的影響。結(jié)果表明：在計(jì)算的流量范圍內(nèi)，當(dāng)單寬流量增大時(shí)，斷面摻氣濃度增大，空腔長(zhǎng)度也增大，但當(dāng)流量增大到一定程度，空腔長(zhǎng)度趨近極值；而同一流量時(shí)，近壁面摻氣濃度沿程降低，符合摻氣濃度沿程分布規(guī)律，但計(jì)算值沿程衰減較慢，且與實(shí)驗(yàn)值有一定的差值，這是由于計(jì)算初期網(wǎng)格劃分的密度及泄流壁面邊界層等的處理會(huì)影