三维紊流模型在丁坝中的应用复习课程.doc

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三维紊流模型在丁坝中的应用

第39卷第1期

2006年2月

武汉大学(工学版)

EngineeringJournalofWuhanUniversity

Vo1.39No.1

Feb.2006

文章编号;1671—8844(2006)01一ol5-06

三维紊流模型在丁坝中的应用

崔占峰,张小峰

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)

摘要:对淹没丁坝水流三维计算进行了研究和探讨,采用标准￡模型结合璧面函数的方法,模拟分析了丁坝淹

没情况下丁坝附近的流场,紊动能及耗散率的分布,并把计算结果与实验资料进行了对比分析,计算值和实验值

符合较好.此外,模型较好地模拟出了丁坝顶端的分离流,坝后回流及回流区横断面上的二次流.

关键词:丁坝;三维数值模拟;标准e模型;壁面函数

中图分类号:Tv132.2文献标识码:A

Flowsimulationofspurdikeusing3?-Dturbulentmodel

CUIZhanfeng.ZHANGXiaofeng

(StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Abstract!A3一Dturbulentmodelwasdevelopedtosimulateflowfieldaroundspurdike.Inthemodel,

thestandardkemodelandthewallfunctionwereadopted.Simulatedresultsofvelocitydistribution,

turbulentkineticenergyanditsdissipationratearoundaspurdikeagreewellwiththeexperimentalda—

ta.Moreover,computationalresultshowsthatthemodeldevelopedcansuccessfullysimulatethesepa

ratestructureofflowatthetopofspurdike,circumfluencebehindspurdikeandsecondaryflowinthe

cross—sectioninthecircumfluencearea.

Keywords:spurdike;3一Dnumericalsimulation;standardk-emodeling;wallfunction

丁坝是广泛使用的河工建筑物,丁坝修建后使

原河道缩窄,产生坝头分离流和坝尾回旋流,局部流

动呈强三维紊动特性.由于流线压缩以及由此而产

生的流速增加,坝头附近河床会受到剧烈冲刷l_1],因

此坝头及坝后回流区流场的预报一直受到重视.由

于问题的复杂性,求出其解析解是十分困难的.早期

研究主要以实验手段为主,而目前随着计算机及数

值模拟技术的迅速发展,数值模拟已经成为研究丁

坝绕流问题的一个重要手段.程年生和李昌华采用

沿水深平均的二维水流模型及双方程模型研究

了丁坝绕流流场及紊动能等的分布规律;Ting—

sanchali和Maheswaran(1990)应用沿水深平均的二

维模型和经经验系数修正的e模型,计算了丁坝附

近的河床应力分布];Chaudhry和Khan(1995)开发

了计算丁坝水流的一,二维模型,在算法上采用了隐

式ADI和显式MacCormack相结合的模式,紊流模

型采用的是最简单的涡黏系数法l_4;Mayerle等

(1995)应用其三维紊流模型,在水深方向采用静水

压强假定,模拟计算了丁坝附近的流场;周宜林等

采用大涡模拟方法研究了丁坝附近的流场分布;

彭静研究了丁坝试验和数值模拟两方面的成果,分

析了丁坝局部流动结构及冲刷机理[8].本文采用标

准肛￡双方程模型,并结合璧面函数的方法建立了三

维紊流数学模型,并以此为基础,模拟,分析了单一

丁坝情况下丁坝附近的流场及应力分布.

1三维紊流模型控制方程

在三维直角坐标系中,不可压流体标准模

收稿日期:200509—28

作者简介:崔占峰(1978一),男,河南商丘人,博士研究生,主要从事河流数学模拟方面研究

16武汉大学(工学版)

型控制万程组为:

连续方程

aUi

—

O(1)aX…

动量方程

警+(

一

吉爰+壶c爰+爰]

k方程

a

瓦k+uak一+)爰]+G一￡(3)

其中G为产生项,G(爰+爰)爰.

￡方