溢洪道挑流CFD模拟

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溢洪道是洪水期间保证水库安全的重要措施，溢洪道下泄的高速水流具有很强的冲击力，由于急流掺气和脉动现象十分显著常会产生剧烈的震动，将危及坝肩安全。因此需要合理设计溢洪道流道，而常用的一种方式就是运用挑流消能原理以达到有效降低下泄水流能量的目的。

一、项目概述

    挑流消能是利用泄水建筑物出口部分的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床与下游水流相衔接的消能方式。能耗大体分三部分：急流沿固体边界的摩擦消能；射流在空中与空气摩擦、掺气、扩散消能；射流落入下游尾水中淹没紊动扩散消能。挑流消能通过鼻坎可在挑流范围内有效地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，河道简单，施工、维修方便。但其下游冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化都较大。

    挑流消能应用较广，适于中、高水头，大、中、小流量的各类建筑物。本项目通过对大坝溢洪道cfd模拟，研究挑流消能对下游河床的冲刷影响情况。

二、模型简化

    模拟项目大坝坝高75米，宽80米，溢洪道宽15米，溢洪道落差50米，下游水位深度12米。如下图所示：

•                                                    图一：溢洪道简化模型

•                                                                图二：溢洪道界面图

三、网格划分

    使用snappHexMesh工具对几何模型进行网格划分，网格为混合网格（如图3）。网格具体信息参数如下表1所示：

•                                                                           表1网格信息参数

•                                                                 图三：溢洪道网格

四、物性参数

    分析所涉及流场介质主要包括水和空气，sigma值取0.07，其相关物性参数如表2所示。

                    表2物性参数

	运动粘度(m2/s)	密度(kg/m3)
水	1e-6	1000
空气	1.5e-5	1

五、OpenFoam求解器设置

    本项目为求解溢洪道两相流流场，湍流模型选用kEpsilon，需分别设置对应fvSchemes离散方法，fvSolution方程求解方法， setFieldsDict初始场液相体积分数及求解控制参数。

5.1      离散方法fvSchemes设置

离散方法fvSchemes设置

ddtSchemes //（时间离散格式，该项目瞬态计算采用欧拉离散Euler）

{

    default         Euler;

 }

 gradSchemes//（梯度离散，采用高斯方法，线性插值，为二阶离散）

 {

    default         Gauss linear;

  }

divSchemes//（散度离散，对流项采用高斯方法，线性插值，为二阶离散，k、epsilon采用高斯迎风格式，为一阶离散）

{

    default Gauss linear;

    div(rhoPhi,U) Gauss linearUpwind grad(U);

    div(phi,alpha) Gauss vanLeer; 

    div(phirb,alpha) Gauss linear; 

    div(phi,k) Gauss upwind; 

    div(phi,epsilon) Gauss upwind; 

    div(((rho*nuEff)*dev2(T(grad(U))))) Gauss linear;

 }

laplacianSchemes//（拉普拉斯项离散，扩散项及压力方程离散均采用高斯理论线性插值，并带有正交修正）

        {

    default Gauss linear corrected;

 }

 interpolationSchemes//（插值格式，默认线性插值）

{

    default linear;

}

snGradSchemes//（梯度法向分量，默认带有非正交修正）

{

    default corrected;

}

5.2          方程求解方法fvSolution设置

fvSolution设置：

solvers

{

    "alpha.water.*"

    {

        nAlphaCorr      2;

        nAlphaSubCycles 1;

        cAlpha          1;

        MULESCorr       no;

        nLimiterIter    5;

                 solver          smoothSolver;

        smoother        symGaussSeidel;

        tolerance       1e-8;

        relTol          0;

    }

    "pcorr.*"

    {

        solver          PCG;

        preconditioner  DIC;

        tolerance       1e-5;

        relTol          0;

    }

    p_rgh

    {

        solver          PCG;

        preconditioner  DIC;

        tolerance       1e-07;

        relTol          0.05;

    }

    p_rghFinal

    {

        $p_rgh;

        relTol          0;

    }

    "(U|k|epsilon).*"

    {

        solver          smoothSolver;

        smoother        symGaussSeidel;

        tolerance       1e-06;

        relTol          0;

                 minIter         1;

    }

}

PIMPLE

{

    momentumPredictor   no;

    nOuterCorrectors    1;

    nCorrectors         3;

    nNonOrthogonalCorrectors 0;

}

relaxationFactors

{

    equations

    {

        ".*" 1;

    }

}

5.3          液相体积分数设置

液相体积分数设置：

defaultFieldValues

(

    volScalarFieldValue alpha.water 0

);

regions

(

    boxToCell

    {

        box (47.5 -42.0 0.5) (243.0 0 12.0);

        fieldValues

        (

            volScalarFieldValue alpha.water 1

        );

    }

);

六、结果分析

残差收敛曲线如下图所示：

•                                                                                         （a）

•                                                                                   （b）

•                                                                         图四：残差收敛曲线

                                                        图五：溢洪道30s内水流情况动图

•                                              图六：溢洪道30s时水的相分数

 从图中可以看到在30s时水流从溢洪道顶端到进入河流整个过程的流动情况。

    30s时溢洪道中水的相分数如下图所示：

                                                                                 （a）

                                                                                   （b）

                                                           图七：30s时溢洪道水相分布云图

                                                         

                                                                                     （a）

                                                                               （b）

                                                              图八：30s溢洪道速度云图                                           

溢洪道最低点水流速度为37.6m/s，水流在到达河水表面时速度为17.2m/s，可以看出经过溢洪道后水流的动能明显降低，从而有效减少了水流对河床的冲击，溢洪道的消能作用明显。