【正文】 1 畢業(yè)設(shè)計（論文） 外文翻譯 題 目 姚家河水電站 溢流壩及消能工優(yōu)化設(shè)計 專 業(yè) 水利水電工程 班 級 五 班 學 生 敖 杰 指導教師 鐘 亮 重慶交通大學 2020 年 2 使用 CFD模 型 分析 規(guī)模和粗糙度 對 反弧 泄洪洞的影響 作者 Dae Geun Kim1and Jae Hyun Park2 摘 要 在這項研究中，利用 CFD模型 、 FLOW3D 模型詳細調(diào)查流量特性 如流量 、 水面 、 反弧溢洪道上的峰值壓力，并考慮到模型規(guī)模和表面粗糙度 對 速度和壓力的垂直分布特征的影響 ， 因此，在 領(lǐng)域中被廣泛驗證和使用。由于表面粗糙度數(shù)值的 誤差 是微不足道的，對于 流量，水面 平穩(wěn) ，波峰壓力 影響較小。但是 我們只是使用長度比例小于 100 或 200在可接受的誤差范圍 的 建筑材料一般粗糙度高度和規(guī)模效應(yīng)的模型，最大速度在垂直的坐標堰發(fā)生更嚴重的粗糙度和規(guī)模效應(yīng)。原型的速度比縮尺 比 模型的更大，但現(xiàn) 卻 相反的。在任何 一節(jié)的最大速度略有降低 或者 表面粗糙度和長度的比例增加。最大速度出現(xiàn)在 上游水頭的增加幾乎呈線性增加溢洪道前的距離和位置較低的垂直位置位 上 。 關(guān)鍵詞 ： FLOW3D，反弧溢洪道，粗糙度效應(yīng)，規(guī)模效應(yīng) 工程師在大多數(shù)情況下都選著設(shè)計建造具有過流 高效 、 安全地反弧溢洪道 ，并且它在使用過程中具有良好的測量能力。反弧溢洪道的 形狀 是 從較 高 頂堰 的直線段 流 到半徑R的網(wǎng)弧形段， 在反弧附近的大氣壓力超過設(shè)計 水 頭。在低于設(shè)計水頭 時 波峰阻力 減少 。在高 水頭的時候 ，頂堰 的大氣壓較高產(chǎn)生 負壓 使水流變得更緩 。雖然這是關(guān)于一般反弧的形 狀和其流動特性的理解， 但是 從上游流量條件下的變化 、 修改的波峰形狀或改變航道由于局部幾何性質(zhì) 等的 標準設(shè)計參數(shù)的偏差 都會 改變的 水流的 流動性 ，影 響的分析 結(jié)果。 物理模型 被廣泛的用來確定 溢洪道非常重要的大壩安全。物理模型的缺點是成本高，它可能需要相當長的時間得到的結(jié)果。此外，由于規(guī)模效應(yīng)的 誤差 的嚴重程度增加原型模型的大小比例。因此 在 指導以正確的 模型 細節(jié) 時 ，計算成本相對較低物理建模 、 數(shù)值模擬 ， 即使它不能被用于為最終確定的設(shè)計 也是非常寶貴的資料。 在過去的幾年中，一些研究人員 試著 解決各種數(shù)學模型和計算方法的流量超過溢洪道 的問題， 主要困難是從亞臨界流到超臨界流過渡。此外， 速度 是未知的 也 必須作為解決方案的一部分 ， 速度 水 頭 是 上游泄洪時上游 水 頭的重要組成部分。 泄洪流量建模 最 早 被試 用 在 卡西迪（ 1965）復雜的平面勢流理論和映射 中 。一個更好的 解決 卡西迪 的問題的 利用非線性有限元和變分原理方案 被 貝茨（ 1979 年），李等 提 3 出 。 這個方案 能夠自由表面和波峰壓力 并且 發(fā)現(xiàn) 現(xiàn)實 與實驗數(shù)據(jù) 的相似性 。 然后，郭（ 1998） 擴大了對勢流理論的運用與分析 ，對 邊界值理論推導出邊界積分方程的變量代換 ， 此方法已成功應(yīng)用到了自由下落的溢洪道 中 。 艾斯 （ 2020）采用 流函數(shù)分析對溢洪道波峰無旋流動。有限差分法的方法 給 邊界點上的問題提供了積極的成果。結(jié)果與實驗的方式獲得這些 關(guān)系 。 1990 年， 開發(fā)了一個采用有限元和有限體積方法為二維自由表面流動方程，包括空氣夾帶的決議，并將其應(yīng)用到在泄洪流量計算數(shù)值模型。 實驗 證明該模型是有效的溢洪道水力設(shè)計作為主要分析工具。宋 和 周（ 1999）開發(fā)了一個數(shù)值模型可能 被用 來分析隧道或槽溢洪道，特別是進口水流條件幾何效應(yīng)的三維流模式。奧爾森（ 1988 年），通過求解雷諾 數(shù) 方程 來解釋 標準方程模型湍流粘性的影響。他們表現(xiàn)出優(yōu)秀的水面和流量系數(shù)的 相似 。最 近，在反弧溢洪道水流進行調(diào)查 中發(fā)現(xiàn) ，使用計算 二維流體力學，三維流 體學 。他們 還 發(fā)現(xiàn)有相當不錯的物理模型和數(shù)值模型之間的 相似 壓力。尤其是金（ 2020）使用 FLOW3D 物理模型的規(guī)模效應(yīng) 發(fā)現(xiàn) 一系列比例模型 、 數(shù)值模擬結(jié)果 ： 不同 水 流排放和規(guī)模較大 模型 的 流速比 規(guī)模較小的 模型 價值比更大。 現(xiàn)有的研究大多使用 CFD模型處理模型的適用性，以 估算 泄洪流量 、 水面和峰值壓力 對原型的影響 。在這項研究中，利用 CFD 模型 、 FLOW3D 模型通過 流量 、 水 面、 溢洪道壩頂上的壓力 、 模型規(guī)模和表面粗糙度 等 流量特性 對 的速度和壓力的垂直分布 的影響 。 泄洪流量分析 方法在溢流壩設(shè)計 領(lǐng)域中被廣泛驗證和使用 ， 本研究的目的是調(diào)查 、定量分析的計算結(jié)果對流動特性的規(guī)模和粗糙度的影響。 一個采用在許多自然流系統(tǒng)和水工結(jié)構(gòu)性能評估縮尺模型的 的 水力模型的缺點，通常被稱為實驗室效果的規(guī)模效應(yīng)。規(guī)模效應(yīng)的嚴重程度增加，比例模型的大小增加或物理過程的數(shù)量增加同時 增加 。實驗室在空間 、 施工性模型 、 儀器儀表 、 或測量的限制 ，一般來說，水工結(jié)構(gòu)的明渠流量恒定非均勻流動特性可以解釋為以下關(guān)系（ ASCE， 2020）。 Sw是水面坡度， S0所以渠道底坡， h 是水深， k 為固體邊界的粗糙度高度， V 為流速， g是重力加速度，和 V， ?ρ，σ 分別是動態(tài)粘度厘泊，密度，水的表面張力。方程（ 1）水面線為底坡，相對粗糙度高度 、 弗勞德數(shù) 、 雷諾數(shù)和韋伯數(shù)表示式中的變量的相似性。方程 （ 1）之間保持正確復制功能復雜的原型流動情況的水工模型縮尺模型和原型。 4 一般來說，幾何相似并進行了實驗用液壓表 1 中的弗勞德數(shù)相似。粗糙高度， K的近似值 明渠流量和水工結(jié)構(gòu)模型 中水是用 來分析縮尺模型的流動特性 。當 建模精度受到損害，水的特性是不進行縮放，一個小規(guī)模的模型可能導致失敗的模擬 失敗 ，如粘度和表面張力的流體性質(zhì)，比原型表現(xiàn)出不同的 流態(tài) 。此外，因為實驗材料有限縮尺模型的相對粗糙度高度不能完全復制 。 先前 由于 研究水力模型的規(guī)模限制 導致一些誤差 。 Lr 的 尺度比率 為 30? 100 型號的大型水壩溢洪道。和模型流深度超過溢洪道的設(shè)計 水頭 工作范圍至少為 75 毫米。對于一個給定的表面平均粗糙度高度可通過試驗確定。 為了 確定規(guī)模和粗糙度如何影響模型 結(jié)果的 ， 實驗中 使用不同的表面粗糙度 和 一系列 與原型成 比例 的 模型 ， 但水工模型試驗 費用 昂貴而且 在 測量數(shù) 中還 有許多困難。隨著計算機技術(shù)和更有效的 CFD 模型 的進步，在一個合理的 時間和金錢條 件下進行 反弧溢洪道的流 態(tài)模型 進行 模擬實驗 。 通過 CFD 模型、 三維流動 模型 ，采用有限體積方法來解決 RANS 方程的分數(shù)面積 /體積的 方程 表示方法來定義一個 流量 的實施 過程 。 由 一般 平均 雷諾連續(xù)性方程和不可壓縮流 、 包括 其他 變 量 可得： 其中 ui代表的是 X， Y， Xi方向的速度， z 方向 。 t 是時間 。Ai是小數(shù)區(qū)開放流標方向 。 VF是在每個單元的流體體積分數(shù) 。ρ 密度 。 p是靜水壓力 。 gi是在標方向的引力 。fi代表一個需要封閉湍流模型的雷諾應(yīng)力。 通過 數(shù)值 FLOW3D 模型 求解 水流經(jīng) 過反弧 段 的 流 速變 化準確地追蹤流體體積（ VOF模型）函數(shù)代表了流體占據(jù)的比例量 的 自由表面。 兩方程的 整理總結(jié)的 理論模型（ RNG 模型）用于湍流閉合。 RNG 模型來描述更準 5 確的低強度的湍流流動和流具有較強的剪切區(qū)域。 流區(qū)域被細分成固定的矩形單元網(wǎng)格。每個單元有關(guān)聯(lián)的當?shù)厮邢嚓P(guān)的變量的平均值。所有變量都位于 網(wǎng)格 中面孔（交錯網(wǎng)格布置）。彎曲的障礙 、 壁面邊界或其他幾何特征是嵌入在網(wǎng)狀定義分區(qū)和分開流動 的變 量 。 在這項研究中 ,流動特性如流量、水的表面 ,堰頂 S形的泄洪道承受了巨大的壓力 ,和垂直速度及壓力分布在考慮模型規(guī)模和 表面粗糙度的影響利用商業(yè) CFD模型進行詳細的研究 ,驗證了 FLOW3D被廣泛用于溢洪道流分析領(lǐng)域。探討了尺度和表面粗糙度的影響