外文翻译使用CFD模型分析规模和粗糙度对反弧泄洪洞的影响Word文档格式.docx

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FLOW-3D，反弧溢洪道，粗糙度效应，规模效应

1.简介

工程师在大多数情况下都选着设计建造具有过流高效、安全地反弧溢洪道，并且它在使用过程中具有良好的测量能力。

反弧溢洪道的形状是从较高顶堰的直线段流到半径R的网弧形段，在反弧附近的大气压力超过设计水头。

在低于设计水头时波峰阻力减少。

在高水头的时候，顶堰的大气压较高产生负压使水流变得更缓。

虽然这是关于一般反弧的形状和其流动特性的理解，但是从上游流量条件下的变化、修改的波峰形状或改变航道由于局部几何性质等的标准设计参数的偏差都会改变的水流的流动性，影响的分析结果。

物理模型被广泛的用来确定溢洪道非常重要的大坝安全。

物理模型的缺点是成本高，它可能需要相当长的时间得到的结果。

此外，由于规模效应的误差的严重程度增加原型模型的大小比例。

因此在指导以正确的模型细节时，计算成本相对较低物理建模、数值模拟，即使它不能被用于为最终确定的设计也是非常宝贵的资料。

在过去的几年中，一些研究人员试着解决各种数学模型和计算方法的流量超过溢洪道的问题，主要困难是从亚临界流到超临界流过渡。

此外，速度是未知的也必须作为解决方案的一部分，速度水头是上游泄洪时上游水头的重要组成部分。

泄洪流量建模最早被试用在卡西迪（1965）复杂的平面势流理论和映射中。

一个更好的解决卡西迪的问题的利用非线性有限元和变分原理方案被贝茨（1979年），李等提出 

。

这个方案能够自由表面和波峰压力并且发现现实与实验数据的相似性。

然后，郭（1998）扩大了对势流理论的运用与分析，对边界值理论推导出边界积分方程的变量代换，此方法已成功应用到了自由下落的溢洪道中。

艾斯（2000）采用流函数分析对溢洪道波峰无旋流动。

有限差分法的方法给边界点上的问题提供了积极的成果。

结果与实验的方式获得这些关系。

1990年，开发了一个采用有限元和有限体积方法为二维自由表面流动方程，包括空气夹带的决议，并将其应用到在泄洪流量计算数值模型。

实验证明该模型是有效的溢洪道水力设计作为主要分析工具。

宋和周（1999）开发了一个数值模型可能被用来分析隧道或槽溢洪道，特别是进口水流条件几何效应的三维流模式。

奥尔森（1988年），通过求解雷诺数方程来解释标准方程模型湍流粘性的影响。

他们表现出优秀的水面和流量系数的相似。

最近，在反弧溢洪道水流进行调查中发现，使用计算二维流体力学，三维流体学。

他们还发现有相当不错的物理模型和数值模型之间的相似压力。

尤其是金（2003）使用FLOW-3D物理模型的规模效应发现一系列比例模型、数值模拟结果：

不同水流排放和规模较大模型的流速比规模较小的模型价值比更大。

现有的研究大多使用CFD模型处理模型的适用性，以估算泄洪流量、水面和峰值压力对原型的影响。

在这项研究中，利用CFD模型、FLOW-3D模型通过流量、水面、溢洪道坝顶上的压力、模型规模和表面粗糙度等流量特性对的速度和压力的垂直分布的影响。

泄洪流量分析方法在溢流坝设计领域中被广泛验证和使用，本研究的目的是调查、定量分析的计算结果对流动特性的规模和粗糙度的影响。

2.缩放和粗糙度

一个采用在许多自然流系统和水工结构性能评估缩尺模型的的水力模型的缺点，通常被称为实验室效果的规模效应。

规模效应的严重程度增加，比例模型的大小增加或物理过程的数量增加同时增加。

实验室在空间、施工性模型、仪器仪表、或测量的限制，一般来说，水工结构的明渠流量恒定非均匀流动特性可以解释为以下关系（ASCE，2000）。

Sw是水面坡度，S0所以渠道底坡，h是水深，k为固体边界的粗糙度高度，V为流速，g是重力加速度，和V，ρ，σ分别是动态粘度厘泊，密度，水的表面张力。

方程

（1）水面线为底坡，相对粗糙度高度、弗劳德数、雷诺数和韦伯数表示式中的变量的相似性。

方程

（1）之间保持正确复制功能复杂的原型流动情况的水工模型缩尺模型和原型。

一般来说，几何相似并进行了实验用液压表1中的弗劳德数相似。

粗糙高度，K的近似值

明渠流量和水工结构模型中水是用来分析缩尺模型的流动特性。

当建模精度受到损害，水的特性是不进行缩放，一个小规模的模型可能导致失败的模拟失败，如粘度和表面张力的流体性质，比原型表现出不同的流态。

此外，因为实验材料有限缩尺模型的相对粗糙度高度不能完全复制。

先前由于研究水力模型的规模限制导致一些误差。

Lr的尺度比率为30〜100型号的大型水坝溢洪道。

和模型流深度超过溢洪道的设计水头工作范围至少为75毫米。

对于一个给定的表面平均粗糙度高度可通过试验确定。

为了确定规模和粗糙度如何影响模型结果的，实验中使用不同的表面粗糙度和一系列与原型成比例的模型，但水工模型试验费用昂贵而且在测量数中还有许多困难。

随着计算机技术和更有效的CFD模型的进步，在一个合理的时间和金钱条件下进行反弧溢洪道的流态模型进行模拟实验。

3.方程应用

通过CFD模型、三维流动模型，采用有限体积方法来解决RANS方程的分数面积/体积的方程表示方法来定义一个流量的实施过程。

由一般平均雷诺连续性方程和不可压缩流、包括其他变​​量可得：

其中ui代表的是X，Y，Xi方向的速度，z方向;

t是时间;

Ai是小数区开放流标方向;

VF是在每个单元的流体体积分数;

ρ密度;

p是静水压力;

gi是在标方向的引力;

fi代表一个需要封闭湍流模型的雷诺应力。

通过数值FLOW-3D模型求解水流经过反弧段的流速变化准确地追踪流体体积（VOF模型）函数代表了流体占据的比例量的自由表面。

两方程的整理总结的理论模型（RNG模型）用于湍流闭合。

RNG模型来描述更准确的低强度的湍流流动和流具有较强的剪切区域。

流区域被细分成固定的矩形单元网格。

每个单元有关联的当地所有相关的变量的平均值。

所有变量都位于网格中面孔（交错网格布置）。

弯曲的障碍、壁面边界或其他几何特征是嵌入在网状定义分区和分开流动的变量。

4.结论

在这项研究中,流动特性如流量、水的表面,堰顶S形的泄洪道承受了巨大的压力,和垂直速度及压力分布在考虑模型规模和表面粗糙度的影响利用商业CFD模型进行详细的研究,验证了FLOW-3D被广泛用于溢洪道流分析领域。

探讨了尺度和表面粗糙度的影响,六例被采用。

也就是对数值模拟液压平滑（PR00）,k=0.5毫米（PR05）和k=3.0毫米（PR30）进行了调查研究和对原型粗糙度影响（PR05）、1/50模型（M50）、1/00模型（M100）、1/200模型（M200）的调查进行的尺度效应。

在建模过程中按比例改变后的模型、网格分辨率、表面粗糙度、上游边界条件和几何相似度调整来排除不同的数值误差。

重要的仿真结果包括以下几点:

1）流量略微减少排放做为该模型表面粗糙度的高度和长度尺度的增加标准。

水面波动是可以忽略不计的，和一些由于发生改变的表面粗糙度和模型的规模引起的波峰压力变化。

由于数值误差表面粗糙度是渺小的,如果我们仅仅使用一般的建筑材料和粗糙高度的尺度效应，如长度尺度比小于100年或200年，模型就会出现在一个可接受的误差范围内。

2）建模结果表明,增加的比率引起长度尺度相似现象，是由于日益增长的表面粗糙度造成的。

如果hm选中作为参考点,速度的模型比在模型参考点以下,但速度的原型是低于按比例改变后的模型参考点。

表面粗糙度和尺度效应的更为严重低于参考点。

3）溢洪道顶的压力会有所不同。

在改变表面粗糙度和模型的规模后，垂直压力分布几乎还是一样上网。

4）最高速度稍微减少，任何部分的表面粗糙度和长度尺度比例增加。

出现最大速度的垂直位置位于较低位置处作为上层水源，并且在溢洪道正前方很远处成直线增加。

文章出处：

土木工程研究所KSCE.第2/2005年3月9日，第161〜169

外文原文：

AnalysisofFlowStructureoverOgee-SpillwayinConsiderationofScaleandRoughnessEffectsbyUsingCFDModel

ByDaeGeunKim*andJaeHyunPark**

Abstract

Inthisstudy,flowcharacteristicssuchasflowrate,watersurfaces,crestpressuresontheogee-spillway,andverticaldistributionsofvelocityandpressureinconsiderationofmodelscaleandsurfaceroughnesseffectsareinvestigatedindetailbyusingthecommercialCFDmodel,FLOW-3D,whichiswidelyverifiedandusedinthefieldofspillwayflowanalysis.Numericalerrorsinthedischargeflowrate,watersurfaces,andcrestpressuresduetothesurfaceroughnessareinsignificantifwejustuseageneralroughnessheightofconstructionmaterials,andthescaleeffectsofthemodelareinanacceptableerrorrangeifthelengthscaleratioislessthan100or200.Theroughnessandscaleeffectsaremoreseverebelowhm,wherethemaximumvelocityoccursinperpendicularcoordinatetotheweircrest.Thevelocityoftheprototypeislargerthanthatofthescaledmodelbelowbutthephenomenaarecontraryabovehm.Maximumvelocityatanysectionslightlydecreasesasthesurfaceroughnessandthelengthscaleratioincrease.Theverticallocationwheremaximumvelocityoccursislocatedonalowerpositionastheupstreamwaterheadincreasesandthelocationalmostlinearlyincreaseswiththedistancefromthefrontofthespillway.

Keywords:

FLOW-3D,ogee-spillway,roughnesseffect,scaleeffect

1.Introduction

Theogee-crestedspillway’sabilitytopassflowsefficientlyandsafely,whenproperlydesignedandconstructed,withrelativelygoodflowmeasuringcapabilities,hasenabledengineerstouseitinawidevarietyofsituationsasawaterdischargestructure（USACE,1988;

USBR,1973）.Theogee-crestedspillway’sperformanceattributesareduetoitsshapebeingderivedfromthelowersurfaceofanaeratednappeflowingoverasharp-crestedweir.Theogeeshaperesultsinnear-atmosphericpressureoverthecrestsectionforadesignhead.Atheadslowerthanthedesignhead,thedischargeislessbecauseofcrestresistance.Athigherheads,thedischargeisgreaterthananaeratedsharp-crestedweirbecausethenegativecrestpressuresuctionsmoreflow.Althoughmuchisunderstoodaboutthegeneralogeeshapeanditsflowcharacteristics,itisalsounderstoodthatadeviationfromthestandarddesignparameterssuchasachangeinupstreamflowconditions,modifiedcrestshape,orchangeinapproachchannelowingtolocalgeometricpropertiescanchangetheflowproperties.Fortheanalysisoftheeffects,physicalmodelshavebeenusedextensivelybecauseaspillwayisveryimportantforthesafetyofdams.Thedisadvantageswiththephysicalmodelsarehighcostsandthatitcantakefairlylongtimetogettheresults.Also,errorsduetoscaleeffectsmayincreasesinseverityastheratioofprototypetomodelsizeincreases.So,numericalmodeling,evenifitcannotbeusedforthefinaldeterminationofthedesign,isvaluableforobtainingaguidetocorrectdetailsbecausecomputationalcostislowrelativetophysicalmodeling.

Inthepastfewyears,severalresearchershaveattemptedtosolvetheflowoverspillwaywithavarietyofmathematicalmodelsandcomputationalmethods.Themaindifficultyoftheproblemistheflowtransitionfromsubcriticaltosupercriticalflow.Inaddition,thedischargeisunknownandmustbesolvedaspartofthesolution.Thisisespeciallycriticalwhenthevelocityheadupstreamfromthespillwayisasignificantpartofthetotalupstreamhead.

Anearlyattemptofmodelingspillwayflowhaveusedpotentialflowtheoryandmappingintothecomplexpotentialplane（Cassidy,1965）.AbetterconvergenceofCassidy’ssolutionwasobtainedbyIkegawaandWashizu（1973）,Betts（1979）,andLietal.（1989）usinglinearfiniteelementsandthevariationprinciple.Theywereabletoproduceanswersforthefreesurfaceandcrestpressuresandfoundagreementwithexperimentaldata.Guoetal.（1998）expandedonthepotentialflowtheorybyapplyingtheanalyticalfunctionalboundaryvaluetheorywiththesubstitutionofvariablestoderivenonsingularboundaryintegralequations.Thismethodwasappliedsuccessfullytospillwayswithafreedrop.Assy（2000）usedastreamfunctiontoanalyzetheirrotationalflowoverspillwaycrests.TheapproachisbasedonthefinitedifferencemethodwithanewrepresentationofNeumann’sproblemonboundarypoints,anditgivespositiveresults.Theresultsareinagreementwiththoseobtainedbywayofexperiments.Unamietal.（1999）developedanumericalmodelusingthefiniteelementandfinite-volumemethodsfortheresolutionoftwodimensionalfreesurfaceflowequationsincludingairentrainmentandappliedittothecalculationoftheflowinaspillway.Theresultsprovethatthemodelisvalidasaprimaryanalysistoolforthehydraulicdesignofspillways.SongandZhou（1999）developedanumericalmodelthatmaybeappliedtoanalyzethe3Dflowpatternofthetunnelorchutespillways,particularlytheinletgeometryeffectonflowcondition.OlsenandKjellesvig（1988）includedviscouseffectsbynumericallysolvingtheReynolds-averagedNavier-Stokes（RANS）equations,usingthestandard-equationstomodelturbulence.Theyshowedexcellentagreementforwatersurfacesanddischargecoefficients.Recently,investigationsofflowoverogee-spillwayswerecarriedoutusingacommerciallyavailablecomputationalfluiddynamicsprogram,FLOW-3D,whichsolvestheRANSequations（Hoetal.,2001;

Kim,2003;

Savageetal.,2001）.Theyshowedthatthereisreasonablygoodagreementbetweenthephysicalandnumericalmodelsforbothpressuresanddischarges.Especially,Kim（2003）investigatedthescaleeffectsofthephysicalmodelbyusingFLOW-3D.Theresultsofnumericalsimulationontheseriesofscalemodelsshoweddifferentflowdischarges.Dischargeandvelocityoflargerscalemodelshasshownlargervaluethanthesmallerscalemodels.

ExistingstudiesusingCFDmodelmostlydealwiththemodel’sapplicabilitytodischargeflowrate,watersurfaces,andcrestpressuresonthespillway.Inthisstudy,flowcharacteristicssuchasflowrate,watersurfaces,crestpressuresonthes