第2期总第180期；2012年3月浙江水利科技ZhejiangHyd；March2012；基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟；包中进,王月华；(浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020)；-3D水流计算软件模拟了溢洪道挑流消能的三维水流；置、增设贴角和改变预挖冲坑范围等措施对溢洪道原设；关键词:溢洪道;挑流消能;RNGJ-E紊流模型;；中图分类
第2期 总第180期
2012年3月浙江水利科技ZhejiangHydrotechnicsNo.2 TotalNo.180
基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟
包中进,王月华
(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)
-3D水流计算软件模拟了溢洪道挑流消能的三维水流流场,并通过调整溢洪道平面布
摘 要:采用FLOW
置、增设贴角和改变预挖冲坑范围等措施对溢洪道原设计方案进行了优化。结合水工模型试验成果,对原设计方案和优化方案的水流流态、流速分布和水面线等水力特性进行了对比分析。数值模拟计算结果与水工模型试验比较吻合,说明优化方案的有效性,也进一步表明三维数值模拟的可行性。
关键词:溢洪道;挑流消能;RNGJ-E紊流模型;三维数值模拟
中图分类号:TV13114
文献标识码:A
文章编号:12)02-0005-05
Three-DimensionalNumericalSimulationofSpillwayBasedonFlow-3D
BAOZhong-jin,WANGYue-hua
(ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,Zhejiang,China)
Abstract:Thethree-dimensionalflowfieldofspillwaywasnumericallysimulatedusingFLOW-3Dsoftware.Theoptimalsolutionincludeadjustingplanearrangementofspillway,bininghydraulicmodeltests,flowpattern,velocitydistribution,watersurfaceprofileandotherhydrauliccharacteristicsoftheoriginalprogramandoptimalprogramflowwereanalyzed.Thevalueofhydraulicmodeltestsandnumericalsimulationcalculationsareingoodagreement,whichdemonstratetheeffectivenessofoptimization,alsoshowsthefeasibilityofthree-dimensionalnumericalsimulation.
Keywords:trajectRNGJ-E3Dnumericalsimulation
够比较真实地反映水流运动特性,从而为工程方案优化节
省时间、提高研究效率。
本文结合钦寸水库溢洪道水工模型试验,采用三维数学模型进行求解,比较分析了溢洪道原设计和优化方案的水流运动特点,一方面验证优化方案的有效性,另一方面也体现该计算软件的实用性。
1 问题的提出
在水利枢纽工程中,泄水建筑物的泄流方式很多采用挑流+水垫塘的消能形式。其基本原理是水流经鼻坎挑向空中,掺入大量空气,形成逐渐扩散的水舌,在空中消耗掉一部分能量;跌入下游水垫塘后水流继续扩散,并在主流前后形成2个大旋滚区,余能大部分消耗于水垫塘内水体的紊动摩擦中。该消能工可有效控制射流落入下游河床的位置、范围及流量分布,对尾水变幅适应性强,结构简单,施工、维修方便;适用于中、高水头及大、中、小流量的各类建筑物。以往对挑流消能的研究主要针对挑流鼻坎型式和布置[1-2]、水垫消能[3-6]、雾化问题[7-9]
2 数值方法
FLOW-3D采用基于结构化矩形网格的FAVOR方法及真实的3步Tru-VOF方法,控制方程中含有体积和面积分数参数。本次模拟采用单相流体模拟水流流动,应用GMRES方法求解离散方程。
来逐渐向优化挑流鼻坎、挑流消能工与收缩式消能工联合消能[10-11]、挑流消能工与底流消能工联合消能等方面发展。由于水流在空中的扩散、挑射距离、水流沿程流态以及在水垫塘内的运动特性等均涉及较多的因素,水流的运动十分复杂,经常存在强三维运动特征的局部复杂流场,往往需要借助水工模型试验进行优化论证。随着数值仿真模拟技术和方法[12-13]
211 控制方程
采用N-S方程,建立消能池三维水流RNGJ-E紊流数学模型。
控制方程包括连续性方程、动量方程、紊动能J方程、紊动能耗散率E方程:
9(uAx)9(vAy)9(wAz)
连续性方程:++=0(1)
的逐渐发展和成熟,数值模拟已经能
+{uAx+vAy+wAz}=-VF9v1999+{uAxv+vAyv+wAzv}=-F99991+{uAx+vAy+wAz}=-VF19+Gx+fx
基金项目:水利部948项目201027。
作者简介:包中进(1963-),男,教授级高工,硕士研究生,主要从事水工水力学研究。
包中进,等:基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟
9(Qk)9(Qkui)i
紊动能k方程:+=(3)
ktEj+Gk-Qj
紊动能耗散率E方程:
9(QEui)R(L+L)*+=Et
j+Cglk-CE2Qij
式中:u,v,w是在x,y,z3个方向上的流速分量,m/s;Ax,Ay,Ax代表x,y,z3个方向可流动的面积分数,m2;Gx,Gy,Gz为x,y,z3个方向的重力加速度,m/s;fx,fy,fz是3个方向的黏滞力,(kg#m)/s2;VF是可流动的体积分数,m3;Q是流体密度,kg/m3;Q是作用在流体微元上的压力,N/m2;k为紊动能,(kg#m2)/s2;E为紊动能耗散率,(kg#m2)/s3;L为水体动力黏滞系数,m2/s;Lt为紊动黏性系数,Pa#s,Lt=QCu
图1 溢洪道纵剖面示意图 单位:m
311 计算范围和网格
按原型1B1建立几何实体模型,模型范围从闸门出口断面上游60m至预挖冲坑出口下游65m。计算区域采用自由网格法,均用结构
化正交网格来划分
,局部区域进行网格渐变加密,网格总数约4200000(见图2)。
为紊动能J的产生项,GJ=L+);R,R分别为t(jijkE湍动能和耗散率所对应的Prandtl数;C*CE1-E1=G(1-G/G0)
是经验常数;G=
(2ijij)1/2,ij)为平均应变率量张量。
212 VOF方法
VOF法是Hirt和Nichols1981年提出的处理复杂自由表面的有效方法,是目前应用非常广泛的一种追踪自由表面的数值方法。该方法定义流体体积函数F=F(x,y,z,t)表示计算区域内流体的体积占据计算区域的相对比例。
在FLOW-3D中关于流体体积函数F的输运方程同样需要考虑体积和面积分数参数。
9(FAyv)9(FAzw)9(FAxu)
+[++]=0VF(a)原设计方案
3 计算实例
钦寸水库按200a一遇洪水设计,5000a一遇洪水校核,总库容2144亿m3。泄水建筑物为岸边式溢洪道,由进水渠、泄洪闸控制段、泄槽、导墙和挑流鼻坎以及出水渠等组成。泄洪闸为5孔正堰,每孔净宽10100m,总净宽50100m,采用WES曲线实用堰,闸室上游为进水渠,闸室下游为泄槽,泄槽末端接挑流鼻坎,鼻坎末端桩号为0+136150m。挑流鼻坎长度16150m,反弧半径25100m,挑射角25b。
原设计方案:溢洪道进水渠底高程为85100m,鼻坎顶高程为64186m,挑流鼻坎下游水平段高程为62100m;预挖冲坑长度5010m(见图1a)。
优化方案:1挑流鼻坎位置向下游平移2510m,鼻坎末端桩号为0+161150m,鼻坎顶高程调整为59186m;o两侧边墙下游出口设贴角,贴角尺寸为1m@10m;?挑流鼻坎下游水平段高程降低,
为55150m;?预挖冲坑上游位置不变,下游加长1010m(见图1b)。
(b)优化方案
图2 模型计算范围和网格划分图
312 边界条件、初始条件和计算工况
边界条件:计算区域上方为对称边界;上游为流量边界;下游为压力出口并设置相应的水位;壁面采用无滑移边界条件。
初始条件:上下游设定初始水体范围,并且给定初始水位,水面水平,压力为静水压。初始时间步长定为01005s。
计算工况:校核洪水,水库下泄流量4623m3/s,下游洪水位59170m。
4 计算结果对比分析
411 流态和流速分布
在给定上游流量和下游水位的条件下,闸门5孔全开,
包中进,等:基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟 当水流流动基本稳定后停止计算。图3给出了原设计方案和优化方案的水流流态对比图。纵剖面、横断面和平面流场见图4。
水流在进水渠中比较平稳,流速较小;水流出闸后水位急速下降,流速增加;溢洪道水流经过鼻坎挑起后以挑流形式跌入预挖冲坑(水垫塘)中。原设计方案挑距太近,一方面两侧水流挑距仅49m左右,直接砸落在两侧斜坡上,另一方面中间水舌最大外缘挑距也只有7315m左右,部分水舌也直接砸击在预挖冲坑上游侧斜坡上,不利于建
筑物的稳定。
优化方案则明显改善。一方面由于两侧贴角作用,水流挑起后水舌略向中间集中,避免了水流冲击岸坡;另一方面挑流鼻坎下移后挑流水舌均能挑入预挖冲坑中。入水水舌宽度约54m,挑流外缘挑距约78m。水流入坑后在平面上迅速向两岸边扩散,左右两侧形成回流区;并且在立面上也迅速扩散,主流潜底,在主流上面和下面分别形成旋滚
原设计方案
(b)优化方案
图3 水流流态比较图 单位:m/s
包中进,等:基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟
图4 预挖冲坑流场比较图
图5、6给出了原设计方案和优化方案闸室进口处的横断面流速分布对比图,
二者吻合较好。
E2=H2+)(6)
式中:E1,E2为上下游计算断面的水流总能量,m;H1,H2分别是上下游断面平均水深,m;v1,v2分别是上下游断面平均流速,m/s;$h=35m。
计算消能率时,上游选取闸室进口断面,下游选取出
图5 原设计方案断面流速实测值和计算值对比图
口断面,结果表明原设计方案和修改方案消能率分别为7%,
说明优化方案较好。
图6 优化方案断面流速实测值和计算值对比图
原设计方案水面线图
412 沿程水面线和消能率
图7、8表明数值模拟水面线跟模型试验结果吻合较好,特别是在预挖冲坑中水流漩滚回流强烈区域,水面波动随机性比较强,计算结果很好地演示了这种现象,更进一步说明该数学模型的可靠性,能够反映真实的水流结构和特点。
水流在预挖冲坑后发生二次跌落,原设计方案和优化方案的二次跌落处垂线平均流速分别为m/s。这也进一步说明优化方案比较好,下游流速减小了,消能率提高了。
消能效果一般用消能率Kj表示,计算公式如下:Kj=
@100%(其中E1=H1++$h,E12g
图8 优化方案水面线图
413 预挖冲坑中的紊动能和紊动耗散率
图9给出了预挖冲坑中心横断面的紊动能等值线图,图中表明优化方案预挖冲坑中的水流紊动较剧烈,且强烈紊动水流主要集中在预挖冲坑中间附近,有利于保护下游河道边坡稳定。从图10预挖冲坑中心横断面的紊动耗散率等值线图也表明,紊动能耗散率数值比原设计方案值高,说明优化方案较好。
包中进,等:基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟
流速、水面线、紊动能和压力分布等的对比分析,表明优化方案通过调整溢洪道平面布置、增设贴角和改变预挖冲坑位置和范围等措施后有利于提高水流消能效果、确保岸坡和下游河床的稳定。参考文献:
原设计方案
[1]李忠,任成瑶,张迪民.一种新型组合式消能工的试验研究
[J].人民长江,):82-84.
[2]王仕筠,陈结文,龙国亮.大坳水利枢纽的消能防冲[J].江
西水利科技,):226-234.
[3]廖华胜,吴持恭,杨永全,等.水垫塘三元复杂紊流场试验测
(b)优化方案
试研究[J].水动力学研究与进展,3-589.[4]陈永灿,许协庆.挑流冲坑内水流特性的数值模拟[J].水利
[5]许唯临,廖华胜,杨永全,等.溪洛渡水垫塘流场的数值计算
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原设计方案
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(b)优化方案
[11]花立峰,陈素文.曲面贴角窄缝鼻坎的水力特性及其在东风
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[12]李艳玲,华国春,张建民,等.单层多股和多层多股水平淹
没射流的消能特性分析[J].水动力学研究与进展:A辑,):26-31.
[13]徐建军,陈炳德,王小军,等.矩形窄缝流道内窄边附近流
场的实验研究和数值模拟[J].水动力学研究与进展:A辑,):770-775.
图9 预挖冲坑中心横断面紊动能分布等值线图
单位:(kg#m2)/s
图10 预挖冲坑中心横断面紊动能耗散率分布等值线图
414 预挖冲坑底板压力分布
从图11水垫塘纵剖面底板压力分布情况来看,除了水舌入水位置,优化方案预挖冲坑底板压力均小于原设计方案。其中优化方案和原设计方案预挖冲坑底板平均压力分别为156,185kPa,最大压力分别为197,325kPa,说明优化方案的预挖冲坑中水流扩散较充分、旋滚较剧烈,水体中消耗的能量较多,
方案较优。
(责任编辑 郎忘忧)
图11 预挖冲坑底板压力分布图
(1)本文应用FLOW-3D软件对溢洪道三维水流进行了数值模拟,计算结果与水工模型试验实测资料吻合较好,表明该软件能够提供全面详细的流场信息,可以应用于泄水建筑物的方案优化设计。
(2)通过对溢洪道原设计方案和优化方案的水流流态、
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简介：已知 h1=2.0m,h2=0.5m,渠宽 b=1.5m,渠道通过能力 Q=1.5m3/s,试求 水流对障碍物通水间的冲击力 R?(设β1=β2=1.0 ) (10 分) 5.长度比λ L=......
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简介：Q ? d 2 2 gH 4 【例 12】如图所示矩形断面平坡渠道中水流越过一平顶障碍物。已知 h2 ? 0.5 力 ,试求水流对障碍物通水间的冲击力 R。 m, h1 ? ......
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简介：0.5 m s , 不计壁面切应力,试求水流对障碍物迎水面的冲击力 F 。(20 分) (第四题图) -2- 五、为了研究在油液中水平运动的小潜体的运动特性,用......
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简介：水平面上一束水流冲击平板如图18-2-24所示,不计摩擦力,水流出口速度为v,流量为Q,其中分流角为60°处的流量Q1从板边流走,则板所受的水流冲击力为()。 A.0......
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FLOW 3D V10.1最新版基本教程，不足处大家吐槽一下
本帖最后由 cbxclh 于
15:09 编辑
2 L" l* k: }5 X* h+ w
最近下载了FLOW 3D V10.1最新版，亲测了一下感觉还不错，和原来FLOW 3D V9.3版有了很大差别，现网上还没有这方面的教程，做一个和大家分享，同时希大家指点不足，可能有些参数还不准，因为这前9.3版不是很精通，谢谢大家
15:08 上传
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1.36 MB, 下载次数: 590, 下载积分: G币 -1
售价: 1 G币 &[]
15:07 上传
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下载积分: G币 -1
2 MB, 下载次数: 818, 下载积分: G币 -1
售价: 1 G币 &[]
[]: cbxclh 发帖对模具行业做出杰出贡献 ，获得4
G币，偷偷放进了口袋.
理想' V+ J# x0 q+ E2 e
！有点 不完美，有个地方 看不到 ，谢谢。。
获得 小福神卡 一张
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谢谢！非常感谢！~~
能贴贴你局部的设置吗？
不错，又占了一个沙发！UG论坛我看好！
讲述东西太少
[]: 模具行业的行动者
获奖， 获取模具行业好评，奖励 1
不错，支持一下
楼主有没有发现，这个摸流分析结果与前9.3.2版本显示效果不一样，老版本像流水一样一丝丝的。这个版本分析结果是一起向前推进的，有点像magma，anycasting
楼主有没有发现，这个摸流分析结果与前9.3.2版本显示效果不一样，老版本像流水一样一丝丝的。这个版本分 ...
没有啊，F10.1比以前准确好多了！, G2 w% A. ], W( X&&R# k+ I
(495.65 KB, 下载次数: 32)
13:57 上传
非常感谢啊
为认真贯彻落实“人才东莞”战略，加快高技能人才培养，推动模具产业做大做强，根据今年我市职业技能竞赛工作安排，决定举办2017年东莞市模具设计师（注塑类）职业技能竞赛.
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基于FLOW 3D 水流模拟主要参数的设置_A
基于FLOW 3D 水流模拟主要参数的设置_A:
FLOW 3D：& &
1980年，由 Dr. C.W. Hirt 创立的Flow Science于美国新墨西哥州 Alamos 成立，其目标是提供一套计算精确的 CFD（计算流体力学）软件。
& & 1985年，FLOW-3D 商业版正式释出。其特有的VOF（Volume of Fluid）计算技术，能够提供极为真实且详尽的自由液面（Free surface）流场信息，在产品开发上可作为非常重要且可靠的参考依据。
& & 由于其精确而稳定的特性，20多年来，FLOW-3D 已受到如美国火箭实验室、海军、英国水利署、利物普大学、通用汽车及HP…等许多重要研究单位与国际性厂商的肯定。
FLOW-3D的应用范围：
• 水力发电厂设计
• 冲刷效应(桥梁, 桥墩)
• 沉降池
• 洪水与侵蚀控制
• 鱼梯设计
• 河流生态修复
• 堰体设计
• Parshall Flumes 帕歇尔水槽
• 水跃现象
• 涵閘工程
• 海水养殖
• 环境污染/扩散
• 潮汐/河口效应影响
• 轻水池设计（取水泵）
• 沉积物处理分析
• 分离器
• 混合釜
• 过滤
• 沉淀池
FLOW 3D标准的分析流程：& &
注：目前市面上尚无讲解FLOW 3D的中文教程，可以结合其自带的帮助文件加以学习。
132.jpg (23.48 KB, 下载次数: 34)
18:43 上传
STL格式几何图形的输入与分析网格设置：& &
133.jpg (55.58 KB, 下载次数: 30)
18:43 上传
在Model Setup /Meshing Geometry下可以输入stl文件，包括ASCII与Binary格式，能够与其它三维模拟软件下设计的模型相结合。方便设计与模拟的同步进行，而不必在花费时间在模拟几何模型的构建上。这也是为什么选择Phoenics与Flow3D进行模拟重要的一个原因。在Meshing Geometry下同时可以设置Mesh（Cartesian）。
FLOW-3D的边界条件：& &
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18:43 上传
• Symmetry: 默认情况下，网格的各个边界均定义为Symmetry对称型边界，意味着没有任何属性特征的变化，没有剪切作用；
• Continuative: 连续边界，代表流体空间上已经到达一稳定状态，流体变量如速度、温度或压力在通过边界时为定值，没有加速度。
& & 在很多模拟中，流体需要在一个或多个计算区域边界流出。在这样的流出边界，什么样的边界条件是适合的，在可压缩流动中，在流出边界、流出速度为超音速时，因为流体扰动不会影响上游流体，指定的边界条件差别不大。
& & 然而在低速不可压缩流中，流出边界的流体扰动，将会影响整个计算区域流体。
& & 最简单和最常用的流出边界条件就是Continuative边界，Continuative Boundary条件由边界所有数量为零的法向导数组成。零法向导数使得流出边界的流体平稳连续。必须强调的是，Continuative Boundary Condition 没有物理基础。在一定程度上，它是数学式的陈述，提供期望的流体行为。尤其在计算区域内，观察到流体通过这样的边界，因为在边界外部流体存在的条件并没有被指定，计算可能会出错。
& & 在FLOW-3D中，一个特别增强的Continuative Boundaries用于改善流体计算。如果流体试图进入计算区域并通过这样的边界，剩下的计算必须这样。
& &然而Continuative Boundary Condition必然视为可以怀疑的。作为通常的规则，一个物理意义上的边界条件，例如Specified Pressure Condition ,在任何时候都有可能作为流出边界条件。当用Continuative Conditon 时，确定该边界远离流体区域，那样对主要流体的负面影响将会减小。
• Specified Pressure: 边界压力可以用于流体的流入和流出边界，值为固定a Static Pressure或随时间改变的滞点压力，a Stagnation Pressure(为默认条件）。滞点压力边界条件是假定网格分析区域外部近似为一个大的储层流体，因此进入分析网格域的流体从速度为0开始加速流入。
& & 固定压力边界不会使流入与流出的流体承受任何的加速或减速，例如在一个连续不变恒定直径的管道中的流体。
& & 一般来说，滞点压力边界更加符合实际。固定的压力边界则可能导致不正确的计算，而对于指定的边界压力条件，不管选择固定的或者滞点压力边界，对出流都不会有所影响；
• Grid Overlay(GO): 在重新启动计算的时候，计算网格条件可以发生改变，如果初始条件网格与重启网格具有相同的格式，计算网格条件是可以主观改变的。the Grid Overlay(GO)边界条件就是用于从原有网格条件向新网格条件传输数据的。当选择GO时，不需要设置特别的参数。
• Wave：波可以用于定义左（XMin）、右（X Max）、前（Y Min）、后（Y Max）网格边界。它是给定波高、波长、周期、相位差（以度数为单位）以及平均流动高度的多样正弦曲线表面波；
• Wall:
• Periodic:
• Specified Velocity: 速度边界、数值可以固定或者时变，并在边界上为均匀分布；
• Out Flow:&&Continuative或者Out flow边界类型常用来设置流出边界条件。对于Continuative连续边界类型，在流出边界法线方向流出参数变化梯度为0；Out Flow是另外一种类型的流出边界，是使用Sommerfeld radiation condition 索末菲辐射条件最小化输出波的反射。Out Flow中有一个选项Allow fluid to enter an outflow boundary，允许流体在Out Flow流出边界进入，它是主要考虑线性波在该边界条件下的变化；
• Volume Flow Rate(VFR): 用于指定进入边界的流体体积流速，可以设置流体流入方向 以及进入流体的高度（高度设定在Z轴方向上）；
135.jpg (90.18 KB, 下载次数: 28)
18:43 上传
非常感谢楼主！！！
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