增设掺气坎对溢洪道水力特性的影响分析

曾 樱

(深圳市深水水务咨询有限公司,广东 深圳 518000)

在水利工程领域,溢洪道是一种常用的水工结构,用于控制水库或河流中的洪水。溢洪道的设计和优化对于确保水库安全、降低洪水风险至关重要。近年来,随着计算流体力学(CFD)和数值计算平台的发展,研究人员能够更准确地模拟和分析溢洪道的水力特性。而掺气坎是一种常用的溢流调节措施,通过引入空气气泡,可以改变溢洪道中水流的流动特性。本文基于计算流体力学(CFD)数值计算平台,建立溢洪道几何模型,通过数值模拟分析,探讨增设掺气坎对溢洪道水力特性的影响。通过研究掺气坎的影响,可以为溢洪道的设计和优化提供重要的参考依据。

表1 溢洪道几何模型建立考虑因素

1 基于CFD及数值计算平台的溢洪道几何模型建立

在水利工程领域,溢洪道是一种重要的水工结构,用于控制水库或河流中的洪水。为了准确地分析和优化溢洪道的水力特性,基于计算流体力学(CFD)和数值计算平台的溢洪道几何模型建立是非常重要的。

1.1 溢洪道几何模型建立考虑因素

在基于CFD模型和数值计算平台建立溢洪道几何模型时,需要考虑以下因素,如表1所示。

1.2 溢洪道几何模型建立步骤

溢洪道几何模型建立的步骤如图1所示。具体步骤如下所述:

图1 溢洪道几何模型建立步骤图

1.2.1 建立几何模型

根据实际情况,收集溢洪道的几何数据,包括进口、出口、溢流段等关键位置的尺寸和形状。使用CAD软件,绘制溢洪道的几何形状。对绘制的几何模型进行精细化处理,以便更好地反映实际情况[4]。根据需要,可以添加细节、修整边缘、修正尺寸等,以使几何模型更加真实和准确。完成几何模型的绘制和精细化处理后,将其导出为合适的文件格式,如.STL、.STEP、IGES等。这些文件格式通常可被CFD软件识别和导入。打开所选的CFD软件,导入之前导出的几何模型文件。CFD软件会将几何模型加载到计算环境中,以便进行后续的数值模拟和分析。

1.2.2 网格划分

使用网格生成软件,对几何模型进行网格划分。根据溢洪道的复杂性和计算要求,选择合适的网格类型(如结构化网格或非结构化网格)和划分方法,生成合适的网格。根据数值模拟的需求和几何模型的特点,对生成的网格进行调整和优化。这包括调整网格密度、平滑网格、修正不良网格等操作,以提高数值模拟的准确性和稳定性[5]。进行网格质量检查,确保网格的质量符合要求。常见的网格质量指标包括网格尺寸一致性、网格畸变程度、网格剖分比例等。将划分好的网格导入到所选的CFD软件中,以进行数值模拟和分析。

1.2.3 边界条件设定

根据实际情况和模拟目的,设置溢洪道的边界条件。包括进口边界条件(如流量或水位),出口边界条件(如压力或自由出流),以及其他相关边界条件(如壁面摩擦和湍流模型选择)。边界条件的设定要与实际情况相符合,要考虑到溢洪道的几何形状、水动力特性等因素[6]。尽量使用真实的观测数据或合理的假设来设定边界条件,以提高数值模拟的可靠性。对于较复杂的边界条件,可以参考相关文献、实验结果或其他模型的经验来选择合适的设定方式。

1.2.4 物理模型设定

根据模拟需求,选择合适的物理模型和数值方法。在溢洪道模拟中,通常采用Navier-Stokes方程和湍流模型来描述水流的运动和湍流效应。根据实际情况和模拟目的,选择适当的湍流模型(如k-ε模型或k-ω模型)。物理模型设定应与实际情况相符合,要充分考虑溢洪道的几何形状、水动力特性等因素。根据研究目的和可用数据,选择合适的物理模型和参数。物理模型设定需要进行合理的假设和简化,以保证计算的可行性和计算效率[7]。

1.2.5 模拟运行

使用CFD软件,对溢洪道模型进行数值模拟。根据设定的网格、边界条件、物理模型和数值方法,进行模拟运行。使用CFD和数值计算平台进行计算,得到溢洪道流动的数值解[8]。在模拟运行过程中,可以监控和记录关键的参数和结果,以便后续分析和评估。

1.2.6 结果分析

对模拟结果进行后处理和分析。使用CFD软件提供的后处理工具,对模拟结果进行可视化、数据提取和分析,对溢洪道的流速、压力、流线和涡旋等进行可视化展示,并进行定量分析和对比[9]。通过分析结果,获取溢洪道的水力特性信息。

2 增设掺气坎的溢洪道几何模型模拟

2.1 掺气坎概述

掺气坎是一种常用的水工结构,通常用于溢洪道、泄洪隧洞等水利工程中。它通过引入空气气泡,改变水流的流动特性,从而达到调节水流的目的。掺气坎通常由一个或多个隔板和一个气泵组成,隔板上开有一些小孔,气泵将空气压入隔板内,形成气泡,将其释放到水流中,使气泡与水流混合,从而改变水流的流动特性。掺气坎的主要作用是增加水流的混合和扩散,从而减小水流的速度和压力,防止因水流速度过快而引起的水位下降和局部冲刷等问题。此外,掺气坎还可以提高水流的氧含量,改善水质,有利于水生态环境的保护和恢复。

掺气坎的设计和优化需要考虑多种因素,如掺气坎的位置、形状、气泵压力、气泡大小等[10]。掺气坎的位置通常选在溢洪道的下游、泄洪隧洞的出口等位置,以确保其对水流的影响。掺气坎的形状可以根据实际需要进行调整,如圆形、方形、三角形等。气泵压力和气泡大小的选择需要根据水流的特性和模拟结果进行优化,以达到最佳效果[11]。

2.2 增设掺气坎的溢洪道几何模型建立

在已建立的溢洪道几何模型的基础上,建立增设掺气坎的几何模型,根据实际情况和设计要求,确定掺气坎的数量、间距和喷口参数等。

2.2.1 数值模型

使用三维雷诺平均方程:

(1)

(2)

式(1)、(2)中:ui表示分量的均速;xi、xj表示坐标(1,2,3);t表示时间;p表示压力;ρ表示密度;v表示动态黏度;sij表示应变张量;τij表示应力张量。

数值模型中,选用RNG k-ε湍流模型、Fluent-2D软件中的VOF模型,时间步长选取0.1 s,总时间30 s,使用有限体积法进行求解。

2.2.2 网格划分

使用2D三角形网格类型,分别用10、20、50和100 cm的网格尺寸进行灵敏度分析,最终选择10 cm作为最佳网格尺寸。

2.2.3 边界条件

模型中选择溢洪道上游入流速率、溢洪道下游流出速率、溢洪道底部过水流量、溢洪道顶部过水流量、溢洪道左侧过水流量、溢洪道右侧过水流量作为边界条件[12]。

2.2.4 模拟运行

对增设掺气坎前后溢洪道各进行30 s运行模拟,得到溢洪道的水位、水流速度、水流分布、水体氧含量、水流冲刷等水利特性。

3 增设掺气坎对水力特性的影响分析

通过对增设掺气坎前后溢洪道水力特性模拟结果进行对比分析,得到增设掺气坎后的水力特性变化情况:

3.1 降低水位

掺气坎引入的气泡会在水流中上升,形成向上的浮力,这种气泡抬升效应可以减小水位,特别是在溢洪道中较靠近掺气坎的位置。气泡的存在会增加水流的阻力,从而减小水流的速度和压力,进而降低水位,通过增加掺气坎的数量或调整掺气坎的布置方式,可以增加气泡的数量和分布,进一步降低水位。掺气坎引入的气泡可以增加水流的混合和扩散,从而降低水流的速度和压力,进而降低水位,通过调整掺气坎的形状、尺寸和布置方式,可以增加气泡与水流的接触面积,提高混合效果,从而降低水位。

3.2 减小水流速度

气泡的存在会增加水流的阻力,从而减小水流的速度,掺入的气泡会与水流发生摩擦,使水流动能转化为气泡运动能,从而降低水流速度。掺气坎引入的气泡可以增加水流的混合和扩散,从而减小水流的速度,气泡的存在会增加水流的表面积,使水流更加分散,从而减缓水流速度。气泡产生的浮力会与水流的压力形成抵抗,从而减小水流的速度,气泡的存在会改变水流的流线,增加水流的路径长度,使水流速度减小。气泡的存在会使水流发生不规则的扰动,从而减小水流的速度,气泡与水流的相互作用会产生阻尼效应,使水流动能损失,从而降低水流速度。

3.3 改善水流分布

掺气坎引入的气泡可以增加水流的混合和扩散,从而改善水流的分布,气泡的存在促进了水流的混合,使水流更加均匀地分布在溢洪道中,避免了水流过度集中或偏移的情况。气泡的存在会增加水流的阻力,从而改变水流的流态和分布,通过合理布置掺气坎的数量和位置,可以控制气泡的分布和分散程度,从而调节水流的分布情况。气泡产生的浮力会与水流的压力形成抵抗,从而影响水流的分布,通过调整掺气坎的形状和尺寸,可以改变气泡的产生位置和浮力大小,进而调节水流的分布情况。掺气坎的安装位置和布局方式可以对水流进行引导,从而改善水流的分布,通过合理设计掺气坎的位置和布置,可以引导水流在溢洪道中形成更加均匀和稳定的分布。

3.4 增加水体氧含量

掺气坎引入的气泡可以增加水流的混合和扩散,从而增加水体的氧含量,气泡的存在可以增加水体表面积,促进水体与空气的接触,从而增加氧气的溶解和扩散,提高水体的氧含量。掺气坎引入的气泡可以通过曝气作用增加水体的氧含量,气泡的存在可以促进水体的气液交换,增加氧气的溶解和扩散速度,从而提高水体的氧含量。掺气坎引入的气泡可以增加水流的搅拌作用,从而增加水体的氧含量,气泡的存在可以促进水体的混合和运动,使水体中的氧气分布更加均匀,从而提高水体的氧含量。

3.5 减少水流冲刷

掺气坎引入的气泡可以在水流中形成一层气泡带,减缓水流的速度,降低水流的冲击力,气泡的存在会增加水流的阻力,从而减缓水流速度,降低水流冲刷的程度。掺气坎引入的气泡会消耗水流的能量,使水流的能量分散和消散,气泡的存在会增加水流的阻力和湍流,从而减少水流的动能,降低水流冲刷的强度。掺气坎引入的气泡可以分散水流的压力,使水流的压力更加均匀,气泡的存在会影响水流的压力分布,使水流压力在溢洪道中更加均衡,减少了局部的高压冲刷区域。通过控制掺气坎的气泡尺寸和分布方式,可以调节气泡对水流的影响,进一步减少水流的冲刷效应,合理设计和优化掺气坎的气泡参数,可以实现更好的减少水流冲刷效应。

4 结语

本文基于CFD及数值计算平台建立溢洪道几何模型,并对增设掺气坎对水力特性进行模拟,对增设掺气坎后的水力特性降低水位、减小水流速度、改善水流分布、增加水体含氧量、减小水流冲刷的变化情况进行分析。研究结果有助于改进溢洪道的设计和优化,提高其水力性能和安全性。此外,本研究还为相关领域提供有关溢洪道的水力特性和掺气坎的影响的重要参考资料。