CFD|溢洪道消能

     溢洪道布置于右岸，平面上呈直线布置，由进水渠段、控制段、泄槽段、消力池段、出水渠段组成，断面型式均为矩形，全长218m。进水渠长45.0m，控制段长5.0m，泄槽段110.5m，消力池段长43.2m，出水渠段14.7m，溢洪道堰型为WES堰，为开敞式溢流。泄槽坡度35.9°，下泄流量大，消能方式采用泄槽台阶消能+底流消能相结合

   台阶消能：此种消能方式是一种复杂的过程，主要目的是确定水流通过台阶结构后损失的能力，计算方法主要有：

（1）经验公式：

昌桑(H.Chanson)法，主要是确定出现初始掺气点的位置、水深、流速和均匀掺气断面的位置、水深和流速。按此核算台阶末的消能率以及与下游水面的衔接形式。

（2）物理模型试验：

模型为正态整体模型，比尺采用1：40，按重力相似准则进行设计，满足水流运动相似条件的模型，精确控制上游流量和水位，测得各个断面的水深、流速、压力等

（3）数值模拟计算流体动力学（CFD）：

建立模型，求解Navier-Stokes方程模拟水流运动

模型的建立

下游地形建立

通过Midas GTS 地形数据生成器，将下游河道地形生成曲面；注意提前找到地形与出水渠相交线的中点，以此中点为基准将地形整体移动至坐标原点，以便与溢洪道模型连接

将溢洪道模型及地形曲面导入Midas GTS ，通过印刻、移动等方式将曲面移动至出水渠位置，提前在CAD中规划好下游河道的范围，将其导入，再通过印刻的方式得到下游河道的模拟曲面

流体域建立

将模型导入NFX,通过CFD体积抽取、拉伸等命令将溢洪道的流体域提取出来

注意1：在模型建立过程中，由于关注的重点区域不同，因此建议模型建立时将各个模块分别建立并命名，以便后期网格划分。

注意2：由于模型的正确与否直接关系到网格是否生成成功，因此要特别关注各个结构之间的连接部位，要做到严丝合缝。

注意3：前期在提取流体域时，建议在可控范围内将流体域稍微扩大些，即使设计过程中已经证明水不会超出流体域，但是在模拟过程中可能会因为流体域太小导致计算不成功。

注意4：可以通过其他软件之间直接建立流体域，但是导入NFX后，这个流体域若直接使用，则会出现以下这种错误。因此要用一个大体重新通过布尔命令（交集）将流体域置换一下

模型几何检查

对模型进行检查、修复、简化，尽量不要出现多余的线

通过自动连接——创建共享面（节点耦合）

材料及单元特性定义

多相模型采用水平集level set模型，因此只需设置水相，它默认另一项为空气相，如果采用VOF模型，那么就需要设置水和空气两个流体材料。

网格建立

根据模型的重点部位设置不同的网格尺寸。由于网格单元多，为减少计算量，库区就未纳入计算

网格质量检查

边界条件设置注意事项

弯路1：将库区纳入计算（可以，只是增加计算量），通过计算工况下水位的高度，在库区进口处印刻了一条水位高度线，通过流量及入口面积换算v=0.1m/s。

判断：方法可行，但是在计算不同工况时，水位高度不同，则印刻的这条线要相应更改，比较麻烦。

弯路2：水位线以下 体积分数设置为1，水位以上体积分数设置为0。

判断：可行，但是不同工况下，印刻线也要根据水位的高度进行调整。

弯路3：因为NFX的计算不能随停随算，前期想先粗略的计算一遍，看看各种设置是否正确，若没问题后再细化网格，进行精确计算，因此陷入了一个误区。

问题：网格尺寸过大，导致空气域尺寸不够，模拟误差较大。

解决办法：减小网格或增大流体域

入口边界条件：

采用速度入口，用函数控制，if(z<=4.96)then(1.06)else(0)endif；

优点：在计算不同工况下，不用重新调整模型和网格，仅需调整函数即可

出口边界条件：采用压力出口，P=0

壁面条件：无因次距离壁面（y+）

体积分数：

if(z<=4.96)then(1)else(0)endif，用函数控制，就可避免不同工况模型和网格的调整。

多相流界面捕捉方法：

1、水平集模型：常用于开阔水域、如明渠、河道、海面等。

2、VOF模型：常用于封闭容器，如水箱、管道、封闭式水渠

运行分析

后处理

消能防冲工况-台阶

消力池流态基本吻合，水面稳定、形成了较好的淹没式水跃

消能防冲工况-无台阶

仅用消力池消能，由于流速较大，水流冲击到消力坎的瞬间，水流冲击较大，产生的浪花较高，因此，本模型除了将阶梯取消，还将消力池至下游河道段进行了加高，以保证有足够的流体域

由于泄槽坡度较陡，流速最大达到28m/s，水流冲击消力坎时冲击力较大，水浪较高，消力池无法无法容纳完整的水跃，不能充分消散水流能量，水跃被推除池外，被迫移动在消力池末端甚至更下游的渠道中上下摆动，极不稳定。同时，由于消能效果不佳，下游流速过高，导致下游河道流速较大，会对河道形成较大的冲刷。

消能防冲工况-水深、流速

未设置台阶消能时，泄槽段及消力池段水深均较低，且从0+113.6～0+153.5段可知消力池水深逐渐升高，直至消力池末端水深增至最高，可见水流在进入消力池后，没有足够的时间和空间在池的前面位置充分扩散、掺混和消能，导致水流的大部分能量未被消耗就被冲到池尾，池内水深不足以形成预期的淹没水跃。

当泄槽段设置了台阶消能后，可见泄槽及消力池内的水深明显比未设置台阶时的水深高，且在0+113.6～0+153.5段消力池内前后水深相消差不大，可见增设台阶后水跃前移，形成了较好的淹没式水跃。

另外，对比了水工模型试验与数值模拟两种方法下的水深，可见水深吻合度较高，数值模拟的方法数据较为准确。

泄槽段未设置台阶消能时，泄槽段及消力池段流速均大于设置台阶的情况，最大平均流速达到27.36m/s；设置台阶后，泄槽段至消力池段流速明显减小，水工模型试验的最大流速15.02m/s，数值模拟的最大流速为15.94m/s。

设置台阶后后消能率约为64%，可见泄槽段增设台阶后这种方案消能效果是很明显的。

消能防冲工况-底板压力

泄槽段未设置台阶时泄槽至消力池段底板压力均较小，设置台阶后底板压力增大，同时对比了有台阶水工模型试验和数值模拟两种方法的压力分布情况，可知溢洪道底板压力吻合较好。

消能防冲工况-下游河道

下游河道水流流态对比：对下游河道左岸有一定的冲刷，由于本次没有模拟下游河道的冲刷，因此只能从流态上进行初步对比分析。

总结

1、本次数值模拟的结果与水工模型试验结果比较吻合，部分位置数据有所偏差，后期可对网格进一步细化，精度将会较高；

2、NFX在模拟过程中大部分时间是在模型建立上，网格划分简单，容易上手；

3、后处理目前掌握还不好，只会简单的数据提取、云图生成，很多功能还未挖掘。

作者简介