三维数模计算思路

2.4技术路线和研究程序

本研究项目主要包括消力池三维数值计算和模型试验两方面内容。 （1）水力学三维数值模拟

三维数值计算拟采用目前国内外通用流行的商业流体计算软件FLUENT。 1）通过资料搜集分析消力池类似问题三维数值模拟的特点，总结类似消力池问题的数值模拟方法，对比各个计算方法的优缺点，针对此工程的特点选择适宜的计算方法；

2）依据水位设计工况，建立三维泄槽、消力池及其下游一定范围内的系统几何模型，并分段对各计算区域进行网格划分；

3）针对消力池底流效能的特点，选用计算精度较高的RNGk-ε双方程紊流模型进行模拟。采用有限体积法对方程进行离散，为加速模型的收敛速度，对压力场和速度场的耦合问题采用压力校正算法下的PISO算法，自由液面利用VOF方法进行追踪和重构；

4）通过类似工程的三维模拟试验数据验证其可靠性，或对计算结果进行合理性分析；

5）通过三维数值模拟结果，获得消力池内的水面线、流速分布、动水压力分布等情况，分析各边墙段、各底板块的整体荷载和动水上举力，研究消力池动水荷载特性，判断过流体形的合理性；

6）依据三维数值模拟结果，研究在保证消能效果的前提下，缩短消力池长度，简化改进消力池中后部体形，不断调整三维几何模型，直至得到优化的合理计算结果。

2.4.1数值模型建立

三维数学模型按照设计尺寸进行建立。模拟范围：溢流坝前缘上游400m，泄槽及消力池、消力池尾坎后400m范围。

计算区域采用六面体网格划分，将模型计算区域划分为五个部分：溢洪道上游引渠段、溢洪道闸室段、泄槽段、消力池段、尾坎后护坦及下游河道一段。本项目主要计算区域段为消力池段，故将消力池段区域进行网格加密，对于影响不大的溢洪道上

游引渠段、溢洪道闸室段、泄槽段、尾坎后护坦及下游河道的区域网格则设置的较为稀疏。

采用RNGk-ε双方程紊流模型进行数值模拟。 Realizablek??模型的控制方程如下： 连续性方程：

????(?ui)?0 ?t?xi??ui????xj????Si ??动量方程：

???p?(?ui)?(?uiuj)????t?xj?xi?xj?(?k)?(?kui)?k方程： ???t?xi?xj?(??)?(??ui)????方程： ?t?xi?xj???t??????k??????t????????????k????x??Gk??? ?j???????2???x???C1E???C2k???

??j???ui?；系数C1、??xj?k?12???u?uj式中：Gk是关于平均流速梯度的湍动产生项，Gk??t?i???xj?xi?C2、?k和??分别为： C1?max?0.43,???5?，其中??2Eij?Eij?ui?uj1??Eij???2??xj?xi??；C2?1.9；?k?1.0；???1.2。 ???，

本研究采用有限体积法对方程进行离散， PISO算法协调压力场和速度场的耦合问题， 并采用VOF方法对自由液面进行追踪，自由液面的具体位置采用几何重建格式来确定。

分析溢洪道泄槽跌坎后消力池内的水力特性，其边界条件主要是流动进口边界、流动出口边界以及壁面边界。对于溢洪道的进水口，根据上游水位，设定为压力进口边界；对于消力池后下游河段尾部，根据下游水位采用压力出口边界。底板为无滑移固体边界条件，近壁区模拟采用壁面函数法。

验证数学模型的可行性：

由于本工程没有原型观测数据、也没有物理模型测量数据，只能用其他类似工程的原型观测数据或者是物理模型测量数据来率定；采用例比法确定相关模型参数的取值；

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以设计洪水位工况为例，对模型进行三维数值模拟，通过模拟的计算结果分析消力池内水面线、流速大小及流场分布情况，分析淹没射流对消力池底板、边墙的动水荷载影响，调整跌坎位置、高度、入水角度及消力池底板高程、连接坡度、边墙的扩散角度等体形要素，使消力池内形成较好的水力流态，使消力池内各边墙段、各底板块的整体荷载和动水上举力较为合理性，同时得到较好的消能效果，为跌坎型底流消能工的设计提供参考。

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