VirtualFlow | 溢洪道水力特性数值模拟
VirtualFlow 溢洪道设计仿真案例
VirtualFlow
通用计算流体力学软件VirtualFlow 独特的前处理技术可实现网格自动快速生成，节约前处理时间。对于界面流问题，VirtualFlow软件可实现界面精确捕捉，可以对溢洪道内液面进行精细的瞬态模拟，通过对不同设计进行仿真，可以得到最优化的设计方案。
以下案例采用通用流体仿真软件VirtualFlow，对新疆某水利枢纽工程溢洪道水力特性进行模拟。
几何模型及网格设置
选取新疆某水利枢纽工程Ⅱ等大（2）型工程的泄水建筑物进行数值模拟。溢洪道由进口引渠段、控制段、泄槽段、挑流段等部分组成。
进口段采用梯形断面，引渠长71.7 m，控制段采用驼峰堰，堰顶高程642.50 m，堰高2.5m，溢流堰设单孔净宽14m，闸墩厚度2.5m，控制段长25.0m，顶高程657.00 m，堰后接长250 m整体式矩形断面泄槽，末端底板高程为 605.418 m，底宽由控制段处的17.5m渐变为10m，渐变段长50 m。泄槽前段130 m纵坡为i=1∶15，其余120 m为i=1∶5，出口段采用挑流消能，挑流鼻坎长15.5 m，宽10 m，鼻坎高程 607.491 m。
溢洪道设计图
采用VirtualFlow进行计算，以1：1尺寸的几何模型作为流体域，并用IST网格技术自动生成高质量六面体网格，几何模型、网格和边界条件如下图所示。
溢洪道几何模型、网格及边界条件设置
边界条件设置
1 | 水流入口边界：压力入口边界，服从静压分布，根据上游水位高程，通过加载高级初始化文件进行设置； |
2 | 空气入口边界：压力入口边界，总压强为大气压强； |
3 | 出口边界：压力出口边界，总压强为大气压强； |
3 | 其余边界：壁面（wall）边界。 |
计算设置
网格设置
计算域：~350x23x60(m)
网格量：~25W
模型设置
湍流模型：RANS
多相流模型：Homogeneous
材料设置
液相：水
气相：空气
计算设置
物理时间：~30s
总步数：30000
数值结果与分析
溢洪道水面高程数值结果与试验结果对比图
可以看到，采用VirtualFlow软件的数值模拟结果与物理模型试验值非常吻合。由于算例几何为单孔模型，没有闸墩结构影响，所以水流相对平顺，且没有折冲现象。在i=1:5陡坡泄槽段，由于边界顺直和巨大水头作用水流很平顺且高程变化很小。
溢洪道流场及控制段流场计算结果如下，其中V_s为水流速度，W为水流高度方向速度。
溢洪道流场
控制段流场
其它类型溢洪道
溢洪道控制段的流场结构会受到堰结构影响，采用VirtualFlow对不同类型河墩溢洪道及带孔结构的溢洪道进行模拟计算，获得的流场数据如下。
(a)
(b)
(c)
不同类型河墩溢洪道流场
