1、 水利工程天然水体自由水面模拟(1)程力学毕业摘要：水力数值模拟的专题之自由水面模拟；关键词：水利 天然水体 自由水面 模拟 二、泄洪洞泄洪水力模拟（二维） 工程介绍：某水力电站的泄洪洞，由于利用前期导流洞，做成一个“龙抬头”的泄洪洞形式，泄洪流量为 1500 个流量以上，洞口高程 51m（相对出口高程，以下同），塔顶高程 113m，堰面为，出口为自由出流。泄洪洞纵剖面图（图 2.1）泄洪洞无压流自由水面（图 2.2）泄洪洞无压流压力分布（图 2.3）从图 2.2、2.3 可以看出，“龙抬头”泄洪洞在无压流情况下类似堰面流，在这种情况下，堰顶的流速大，压强小，尤其是在闸门槽下游位置，极易发生气
2、蚀。请注意一点，隧洞是否有压还是无压流并不由程序自动判断，隧洞泄洪流态判断本身就是一个比较难的课题，判断隧洞是有压流还是无压还需根据相关的规范及水力学公式计算后确定，因为模型的上下游边界条件必须根据实际情况由软件的使用者判断输入，下面就仅仅改动下游边界条件为 outflow 后的情况做一模拟：泄洪洞有压流自由水面（图 2.4）下游边界条件改变后水位很快上升到闸门槽中，隧洞也由无压流变为有压流，由此可见，边界条件的确定是很重要的。三维泄洪洞泄洪水力模拟与二维模型大体一致，需要说明的是三维模拟的收敛条件更苛刻，计算所耗费时间将更长。共 3 页: 2 三、普通水闸泄流三维模拟。 水闸过流是最常见的一
3、种低水头，高流量的水力现象，上游多为堰面溢流，下游为多为淹没出流。本工程为一低水头重力式水闸，上游堰顶高程 6m（相对下游河床标高），下游挑流鼻坎标高 2m，闸室宽度 6m，现模拟水闸蓄水后全开的工况，堰顶水头为 6m，为模拟多个闸室联合泄流，将模型的上下游边壁设定为 axisboundary （图中绿色细线边框）。室出流自由水面（图 3.1）闸室出流自由水面及流场矢量图（堰面未表示）（图 3.2）闸室出流总压力场（颜色深为压力大）（图 3.2）图 3.1 是闸室闸室出流自由水面，可以看出，由于水深较深，堰面的形式对水流流态影响不大，水面基本上是沿一个斜面自由出流，在水流进入下游河床时，由于扩散段的影响，边壁的水面比中部水流降得更低。图 3.2 可以明显观察到下游鼻坎下的水流洄流流态。图 3.3 的压力场是静水压力（测压管水头）的分布，可以作为结构计算依据，例如下游的水垫塘护坦配筋、挑流鼻坎配筋等等。共 3 页: 3
