广西水利水电GUANGXI WATER RESOURCES &HYDROPOWER ENGINEERING 2018（4）
[收稿日期]2018-03-20
[作者简介]
任庆钰（1987-），男，贵州毕节人，贵州省水利水电勘测设计研究院工程师，硕士，主要从事水利水电工程设计工作。 ·试验研究·
Fluent 软件具有20多年的发展历史，在航空航
天、能源、汽车、化工、石油等领域得到了广泛的应用，是目前全球最高效、最精确和功能最强大的计算流体力学商用软件。近年来，Fluent 软件在水利水电工程中的运用逐渐得到普及[1]。
本文基于Fluent 软件对某水库溢洪道进行三维水流数值模拟，并与物理模式试验结果进行对比，提出溢洪道三维水流数值模拟方法，该方法对于计算溢洪道沿程水面线、溢洪道泄流能力、动水压力及挑流长度效果较好。 1工程概况
嘎醉河水库位于贵州省黔东南州凯里市舟溪
镇东约1km 的鸭塘河上，距凯里市直线距离约11
km ，距贵州省会贵阳公路里程约204km 。工程建设
的主要任务为城市供水，总库容1961万m 3
，属Ⅲ等工程，水库为中型水库，年城镇供水量1720万m 3
。坝址正常蓄水位740.0m ，相应库容1961万m 3，面板堆石坝方案校核洪水位为742.74m （P =0.1%），总库容为1961万m 3。取水隧洞设计引用流量0.68m 3/s 。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，该工程规模属中型，工程等别
为III 等，永久性主要建筑物大坝为2级建筑物（坝高超过70m ），溢洪道、取水兼放空隧洞及泵站为3级建筑物。
2数学模型
2.1控制方程[2]
（1）连续性方程：
∂U i
∂X i
=0（1）
（2）动量方程：
U i ∂t +U j ∂U i ∂X j =-1ρ∂P ∂X i +∂∂X j ()
ν∂U i ∂X j
-----u i u j +
1ρ
F i （2）
xv-851（3）k 方程：
∂k ∂t +U j ∂k ∂X j =∂∂X j é
ëêùû
ú()
ν+νt σk ⋅∂k ∂X j +G -ε
（3）
（4）ε方程：
∂ε∂t +U j ∂ε∂X j =∂∂X j é
ëêùû
ú()
ν+νt σε⋅∂ε∂X j +
C 1εεk G -C 2ε
27gan
日本寿司刀ε2
k
（4）
2.2计算方法及边界条件
采用标准k —ε两方程紊流模型计算，在计算域中采用有限体积法进行控制方程的离散。速度压力耦合采用SIMPLEC 算法。为了提高稳定性，加快计算速度，对流项采用一阶迎风离散格式。
（1）进口边界条件：库区流速很小，进口边界采用压力入口边界。在定义压力入口时，通过用户自定义UDF （User-Defined Function ）功能，利用C 语言编写的静水压力程序，加载到FLUENT 中实现进口静水压力分布；
基于FLUENT 软件的溢洪道三维泄流数值模拟
任庆钰
（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550081）
[摘要]
基于Fluent 软件，对某水库溢洪道进行了三维数值模拟。结果：数值模拟计算得到的泄洪时流速分布、泄流能力、沿程水面线及动水压力结果与物理模型试验结果吻合良好。说明：溢洪道三维数值模拟方法可行，可供设计参考。[关键词]
水利；FLUENT ；溢洪道；数值模拟
[中图分类号]TV651.1；TV135.2
[文献标识码]B [文章编号]1003-1510（2018）04-0001-03
1
任庆钰：基于FLUENT 软件的溢洪道三维泄流数值模拟
（2）出口边界条件：出口采用大气压力出口，压力值为大气压；
（3）壁面边界条件：采用固壁边界；
（4）自由水面条件：按定常流时的VOF 方法追
踪自由水面[3、4]
。
2.3网格划分及边界条件设置
计算区域包括：进水渠段、控制段、泄槽1段、泄
槽2段（收缩段）、泄槽3段、挑坎段。溢洪道网格划分采用矩形网格，网格总数194604（见图1）。进口采用压力入口边界，通过UDF 定义进口静水压强；出口及溢洪道表面采用压力出口边界；其余部分为固
壁边界。
图1
溢洪道三维图
3计算结果及分析
3.1
设计洪水位工况泄流计算
3.1.1溢洪道流速、流量及水面线
图2为设计工况溢洪道泄流水面线，图中白灰
部分表示水汽交接面。由图2可知，泄槽1段水流开始急速下降，水位降低，泄槽2段（收缩段）前部分水位达到最低，泄槽3段水位开始雍高，挑坎段水位降低。挑距约74m
。
图2
设计工况溢洪道泄流水面线
表1为设计工况特征断面水位及流速数值模拟值与物理模型（实验）值对比表，表中0+000.00为溢洪道进口，0+121.31为挑坎反弧最低点，0+129.76
为鼻坎。
表1
设计工况特征断面水位及流速数值模拟值
与物理模型值对比表
位置0+000.000+018.000+028.000+063.570+121.310+129.76
数模
水位/m 4.252.302.222.361.402.09
物模水位
/m 4.802.301.752.501.151.42
数模流速/（m·s -1）9.77
15.8721.1526.7229.1429.35物模流速
/（m·s -1）8.4
14.4517.2522.7528.728.9由表1可知：设计工况下特征断面水位及流速数值模拟值与物理模型试验值相差不大，该方法能较好地模拟溢洪道水流流态，为设计提供依据。设计工况下模型试验泄流流量为600m 3/s ，数值模拟
计算泄流流量为660m 3/s 。3.1.2溢洪道动水压强
由图3可知：泄洪道最大压力发生在进水渠末
端及挑坎反弧最低点位置，泄槽1段和泄槽3段压力略有增加。进水渠末端底板压强为11.1kPa ，挑
二硝基甲苯坎反弧最低点底板压强21kPa
。
图3
设计工况溢洪道进水渠剖面压力等值线图
3.2
校核洪水位工况泄流计算
3.2.1溢洪道流速、流量及水面线
图4为校核工况溢洪道泄流水面线，图中白灰
部分表示水汽交接面。由图4可知：泄槽1段水流开始急速下降，水位降低，泄槽2段（收缩段）前部分水位达到最低，泄槽3段水位开始雍高，挑坎段水位降低。挑距约81m 。
由表2可知：校核工况下特征断面水位及流速数值模拟值与物理模型试验值相差不大，该方法能较好地模拟溢洪道水流流态，为设计提供依据。设计工况下模型试验泄流流量为962m 3/s ，数值模拟
计算泄流流量为889m 3/s 。
2
广西水利水电GUANGXI WATER RESOURCES &HYDROPOWER ENGINEERING 2018（4
）
图4校核工况溢洪道水面线表2
校核工况特征断面水位
及流速数值模拟值与物理模型值对比表
位置0+000.000+018.000+028.000+063.570+121.310+129.76
数模水位/m 5.383.724.223.412.103.25
物模水位
/m 6.753.652.454.252.103.36
数模流速/（m·s -1）12.6917.3622.4525.9426.6729.97
物模流速
/（m·s -1）9.30
15.2018.3022.7027.7529.804结果分析
本文提出计算溢洪道泄流的方法，即进口给定
水位，用户自定义UDF （User-Defined Function ）功能将远端进口定义为压力入口，并按定常流时的VOF 方法追踪自由水面。计算结果与模型试验吻
合较好。该方法对于计算溢洪道沿程水面线、溢洪
道泄流能力、动水压力及挑流长度效果较好，在工程设计中可以参考使用。
参考文献
[1]巨
江，刘少斌，杨晓池.Fluent 软件在泄水工程中的应
用[J].水力发电学报，2009（2）：110-114.[2]任双立，吕勋博.Fluent 软件在溢洪道泄流中的应用[J].
电网与清洁能源，2014（7）：77-80，85.
[3]刘志勇，王
晶，赵有机冲施肥
育.多弯道溢洪道水力特性数值
模拟研究[J].东北水利水电，2013（3）:1-3，58，71.[4]
王华兴.水泊峡水电站溢洪道泄流三维数值模拟[D].咸
阳：西北农林科技大学，2013.
（责任编辑：周）
Three-dimensional numerical simulation of spillway discharge based on FLUENT software屋面玻纤瓦
REN Qing-yu
(Guizhou Provincial Institute of Water and Hydropower Exploration and Design,Guiyang 550081,China)Abstract:Based on the FLUENT software,a three-dimensional numerical simulation of spillway discharge was con⁃ducted for a reservoir.The calculated velocity distribution,discharge capacity,water surface profile and dynamic water pressure agree well with the results of physical model test,showing 3D numerical simulation of spillway dis⁃
charge is a feasible method.
Key words:Water conservancy;FLUENT;spillway;numerical simulation
3
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议