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VirtualFlow | 溢洪道水力特性数值模拟

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泄水建筑物是保证水利枢纽和水工建筑物的安全、减免洪涝灾害的重要的水工建筑物。在泄水建筑物中,溢洪道是一种最为常见、最广泛使用的建筑物,它的泄流能力和安全运行直接影响到主体建筑物的安全,而且在现今日益增加的水电工程规模的情况下,它在整个工程中的重要性也越来越突出。  


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,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

下图为设计洪水位(高程650.39m)下溢洪道沿程水面高程对比,其中ex.散点为试验测量值、sim.曲线为计算值、spillway线为溢洪道。  
 

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

总体来看,对于溢洪道流场仿真计算,采用VirtualFlow 可以准确计算溢洪道任意位置上的流场数据,例如溢洪道的沿程水面高程、水流流速、流量等信息,可以弥补模型试验在测量数据部分的缺陷,为类似溢洪道的水利设施设计提供参考。  
来源:多相流在线
多相流燃烧湍流通用航空航天船舶轨道交通材料控制试验积鼎 CFD
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首次发布时间:2023-06-23
最近编辑:1年前
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