闸下废旧轮胎消能防冲的三维数值模拟

2015-07-02史国庆

水利水电科技进展 2015年2期

关键词：水槽水流流场

史国庆,文恒

(1.咸阳职业技术学院建筑学院,陕西咸阳 712000;

2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特 010018)

闸下废旧轮胎消能防冲的三维数值模拟

史国庆1,文恒2

(1.咸阳职业技术学院建筑学院,陕西咸阳 712000;

2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特 010018)

为了进一步揭示闸下应用废旧轮胎消能防冲时的水流形态,采用RNG k-ε湍流模型对加糙后的流场进行模拟计算,并采用流体体积分数法对自由水面进行跟踪,得到流场内的水、气相体积、速度、压力等分布,并与模型试验实测结果进行对比分析。分析结果表明,计算结果与模型试验实测结果吻合较好,说明模型能很好地应用于加糙后的流场模拟计算。

废旧轮胎;加糙体;RNG k-ε湍流模型;消能;防冲;数值模拟

据不完全统计,全国大、中型水闸下游消能防冲设施严重损坏的占总数的42.3%[1]。为了防止闸下冲刷,许多研究者对于水闸的消能防冲问题已进行了长期而系统的研究,其中使用废旧轮胎制作加糙体可达到增大糙率、减小冲坑深度和面积的目的[2-7]。

近年来,计算流体动力学研究方法被广泛应用到水力学及水流形态的研究中,特别是需要考虑湍流各向异性效应的研究及流线呈弧线的流动流态研究[8]。为进一步揭示使用废旧轮胎加糙体的流场水流形态,并验证模型试验结果,本文采用RNG k-ε双方程湍流模型对流场进行三维数值模拟。胡宇等[9-10]采用流体体积分数法(volume of fluid,VOF)对水、气界面进行跟踪计算,得到了比较理想的结果。对于加糙后的非定常流动复杂情况,采用VOF法对流体自由液面进行模拟研究。

1 模型试验

试验在长2000 cm、宽50 cm、高90 cm的玻璃水槽中进行,水槽底坡为0.124%。轮胎加糙体选用外直径为15 cm、内直径为8 cm的模型汽车轮胎,加糙段长100 cm。模型轮胎通过螺纹钉与水槽底板相连接,可灵活安装与拆卸。轮胎加糙体呈梅花状布置,排列间距为15 cm。用未加糙方案作对比参照工况,对加糙段后5个断面的水深和流速进行测量,各断面分别位于轮胎加糙段后10 cm、30 cm、50 cm、70 cm和90 cm处,每个断面布置7条测线。加糙段及测量点布置如图1所示。试验环境水温为(20± 2)℃,水的密度为998.26 kg/m3,水的运动黏滞系数为1.047×10-4m2/s。

2 数学模型

2.1 控制方程

Yakhot等[11]对标准k-ε模型进行了修正,提出了RNG k-ε模型,该模型能更好地模拟高应变率及流线弯曲程度较大的流动,因此选择RNG k-ε模型进行湍流模拟,RNG k-ε湍流模型的基本控制方程[12]如下:

图1 加糙点及测量点布置示意图

动量方程

式中:ρ为流体的密度;t为时间;ui、uj分别为流体x、y方向的速度分量;p为修正的压力;μ为分子黏滞系数;μt为湍动黏度;k为湍动能;ε为湍动耗散率;Gk为由平均速度梯度引起的湍动能的产生项; αk、αε、C1ε、C2ε、η、η0、β均为模型中的经验常数。

与SPLASH法、波前追踪法、等值面函数法等相比,VOF法具有占用计算内存少和计算时间短的优点,也能更好地对水气界面进行跟踪计算[13],因此利用VOF法对自由液面进行数值模拟。RNG k-ε湍流模型与单相流的湍流模型形式基本相同,只是ρ和μ的表达式稍有不同:

式中:ρa、μa分别为气相的密度、分子黏性系数;ρw、μw分别为水相的密度、分子黏性系数;αa为气相的体积分数;αw为单元中水相的容积比率,对于任意一个单元,对于没有水、包含水、气界面和充满水这3种情况,αw分别取0、0～1、1。

2.2 计算区域

为便于与物理模型试验值进行对比,以物理模型试验为依据进行建模。在轮胎加糙段上游和下游均取2.0m作为计算区域。计算区域内轮胎加糙段及流速测量段采用非结构化网格对流场进行离散,网格尺度为1mm;其他部分采用六面体结构网格进行离散,网格尺度为2mm。轮胎加糙体附近由于几何结构复杂,对轮胎加糙体表面、加糙段及流速测量段的网格进行加密。计算区域边界条件及网格划分如图2所示。

图2 计算区域边界条件及网格划分示意图

2.3 边界条件

数值模拟计算中,至关重要的一步就是定义边界条件。将进口边界条件定义为水流速度进口和空气压力进口两部分,水流速度部分由模型试验实测的流量和水位计算,流速按垂向均匀分布,空气压力进口部分定义为恒压边界。出口边界条件定义为恒压出口边界条件。加糙体表面和水槽的边壁边界都定义为无滑移边界,考虑到壁面处理方法对数值模拟结果的影响,对壁面处理采用标准壁面函数处理方法[10]。初始条件定义为整个流场充满空气,水流从进水口流入水槽,通过对体积分数的迭代求解,自动生成水气界面。

2.4 数值算法

与SIMPLE算法和SIMPLEC算法相比较,PISO算法是针对非定常流动是一种更优的数值模拟算法,其增加了网格偏斜修正,使非正交网格的计算精度大幅度提高[14]。但在相同的网格尺度条件下,PISO算法的耗时比其他算法长,为了保证更高的计算精度和更优的收敛性,采用PISO算法对压力、速度耦合。

3 数值模拟结果

3.1 水、气相体积分布

水、气相体积通过水、气两相分层流的瞬态迭代计算进行求解。布置7排轮胎加糙体、流量为310m3/h时水、气相体积分布如图3所示,计算区域内深色表示水流。当t=4.500 s时,由于轮胎加糙体的拦截作用,过流流量小于进口流量,使加糙段上游水位开始壅高;当t=165.008 s时,入口和出口流量已达到平衡,加糙段上游水深保持不变,水流达到稳定状态。由图3可知,VOF方法可以很好地跟踪水流的自由表面,有效地生成水气界面。

图3 流场水、气相体积分布

3.2 速度分布

为清楚地反映加糙段及其下游测量段流速分布情况,布置7排轮胎加糙体、流量为310m3/h时,计算所得水槽底板及水槽中心断面处流速矢量分布如图4所示。由图4可知:在加糙段,流体受到轮胎的挤压作用,在轮胎孔口处,水流速度较大;在轮胎胎圈处,水流速度较小。

图4 流场速度矢量分布

3.3 压力分布

布置7排轮胎加糙体、流量为310m3/h时,计算区域内水槽底板及水槽中心断面处压力分布如图5所示。由图5可知:在轮胎加糙段上游,水面线壅高,槽底板压力增大;在轮胎加糙段下游,水面线降低,槽底板压力减小。

图5 流场压力分布云图

3.4 计算结果分析

3.4.1 水面线

流量为310m3/h、布置7排糙体和无糙体条件下,水槽试验段中心线水深的试验值和计算值分布如图6所示,可见计算值与试验值吻合很好。由图6可以看出,加糙后,槽底糙率增大,使得加糙段及上游水深壅高,高于无糙体时的正常水深。当槽底比降为0.124%时,在试验设定的流量和水深范围内,槽中水流为缓流,即正常水深大于临界水深。加糙段与上游的水面衔接为a1型壅水曲线,加糙段与下游的水面衔接为b1型降水曲线,加糙段的正常水深应为加糙段首端的水深。

图6 水槽中心线水深分布

3.4.2 流速

流量为310m3/h、布置7排糙体和无糙体条件下,Ⅲ—Ⅲ断面的中测线、左1测线、左2测线、左3测线纵向(顺水流方向)流速的试验值和计算值分布如图7所示,可见流速计算值和实测值也吻合良好。由图7可以看出,加糙后中、上层水流的纵向流速增大,近底流速降低,且靠近水槽中心附近的近底流速降低显著。降低近底流速是水闸消能防冲设计所追求的目标之一,意味着水流对海漫的冲刷作用将减弱,从而证明了轮胎加糙海漫可提高消能效果。

4 结语

应用RNG k-ε模型、VOF法对加糙后流场进行数值模拟,从流场的水、气相体积分布、速度分布和压力分布可知,其数值模拟结果与物理试验结果相吻合;通过瞬态的迭代求解,VOF法能够有效模拟水流的自由表面,选用的计算模型和计算程序是可行的。

图7 Ⅲ—Ⅲ断面纵向流速分布曲线

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Three-dimensional numerical simulation of scrap tires in energy dissipation and erosion control under sluice

SHI Guoqing1,WEN Heng2(1.CivilEngineering College,Xianyang Vocational Technical College,Xianyang 712000,China; 2.Water Conservancy and Civil Engineering College,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot010018,China)

In order to reveal the flow shape of scrap tires in energy dissipation and erosion controlunder sluice,the RNG kεturbulencemodel is applied to simulate the flow where the apron was roughened by scrap tires.The volume of fluid (VOF)method for water-air two-phase flow is introduced into the tracking of the free surface.The distributions of water, gas volume,velocity and pressurewere obtained through simulation.Contrastanalyzed,the result is in good agreementwith experimental data and shows that the VOFmethod is feasible for the simulation of roughened flow.

scrap tires;artificial roughness model;RNG k-εturbulence model;energy dissipation;erosion control; numerical simulation

TV653+.7

1006-7647(2015)02-0024-04

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.005

2013-12-03 编辑:周红梅)