山区河流上下双丁坝水流特性的数值模拟.doc

山区河流上下双丁坝水流特性的数值模拟丁坝作为航道整治的建筑物,在实际的山区河流工程中被广泛地使用。丁坝的修建能够起到冲刷航深、减小近岸水流速度保护河岸的作用,但同时也会造成水流的分离和回流,使得丁坝附近水流呈现复杂的三维特性。采用三维水流数学模型对丁坝附近区域流场的变化进行模拟,对航道整治工程的规划和设计具有较重要的参考实用价值。至今为止,关于双丁坝附近区域流场的三维数值模拟计算还比较少。因此,研究双丁坝周围三维水流特性具有十分重要的理论和工程意义。本文以计算流体力学的理论为基础,以四面体非结构网格为单位离散划分三维区域进行建模,借助Fluent软件将水流连续方程、动量方程以及标准的k-ε两方程进行联立求解,采用有限体积法对方程进行离散,并用PISO算法对离散后的方程组进行求解,比较精确的模拟了双丁坝周围的三维水流特性,取得了以下几方面的研究成果:(1)模拟结果表明,使用VOF方法来捕捉双丁坝周围自由水面线,与实际情况比较吻合,模拟效果较好;采用三维湍流模型和k-ε两方程模型在计算三维双丁坝周围紊动能和紊动耗散率时结果比较可靠,该研究方法能够为相应的物理模型实验和理论分析提供一定的理论支撑。(2)通过对VOF方法捕捉到的自由水面进行分析处理,得到双丁坝周围自由水面线在坝前、坝中和坝后沿横向的分布,以及自由水面线在主流区、中间坝头连线所在区域和靠近左岸处沿纵向的分布。(3)借助Tecplot后处理软件对三维模拟计算的流场进行断面剖分,得到不同坝长、水深和坝头型式时的流速在坝前、坝中和坝后沿横向的分布云图,流速在右岸主流区、中间双丁坝坝头连线区域以及靠近左岸时沿纵向的变化以及流速在垂向上的分布。(4)通过Fluent软件的后处理功能,得到紊动能和紊动耗散率在底层,中间层和顶层上沿横向、纵向和垂向上的分布云图和散点分布图,通过分析得到了不同的下丁坝长度、坝间距和水深时的紊动能和紊动耗散率沿横向、纵向和垂向的分布规律以及最大紊动能和紊动耗散率所在的位置。(5)以三维立体图的形式形象地展现双丁坝坝体上的动水压强分布云图,通过对不同工况下的动水压强分布云图进行分析比较,得到了不同的下丁坝长度、挑角和初始水深时的动水压强分布规律以及最大动水压强分布位置。