基于VOF的量水槽流场数值模拟

　2008年4月灌溉排水学报

Journal of Irrigation and Drainage

　第27卷第2期　文章编号:16723317(2008)02002604

基于VO F的量水槽流场数值模拟3

郝晶晶,马孝义,王波雷,张建兴

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西杨凌712100)

摘　要:利用Fluent软件,采用VOF方法与标准k-ε紊流模型相耦合,对U型渠道平底抛物线形无喉段量水槽的流场进行三维数值模拟。通过建立不同渠槽模型,分析不同流量工况下沿程水面线及速度场分布,将数值模拟结果与实测结果、公式计算结果进行对比,结果表明,模拟值与实测值、公式计算值吻合较好。并应用该数值模拟方法对量水槽的流量公式进行了检验,为提高其测流精度提供一定的参考依据,为该量水槽结构设计与优化提供了新的思路。

关　键　词:U形渠道;抛物线形量水槽;数值模拟;k-ε紊流模型;VOF方法

中图分类号:TV698 文献标志码:A

随着节水农业的发展和水价制度的改革,迫切需要研究结构简单、精度高的渠道流量测量装置。U型渠道己成为灌区中小型渠道的主流衬砌方式,因此研究与其配套的流量测量设施已成为灌溉排水科技的一个重要问题。国内许多学者对U型渠道量水技术进行了研究,先后提出U形渠道抛物线形无喉段量水槽、直壁式量水槽、圆底形量水槽等多种量水槽[13],其中平底抛物线形无喉段量水槽具有不淤积、壅水少、工程量小且方便实用等优点,朱风书等[4]通过室内及灌区试验对其进行了设计与标准化研究;马孝义等[5]针对其参数复杂问题研制了通用化的多媒体软件;吕宏兴等[6]率定了其流量参数,对流量公式做出了改进;这些理论分析及试验研究在确定其结构参数,分析其水流特性时,不仅试验量大,而且资金投入较多,周期较长,不利于其推广应用。近年来随着计算机性能提高和数值计算方法的改进,计算流体动力学(CFD)技术飞速发展,数值模拟方法被广泛采用,只要针对不同的情况,建立相应的模型,进行计算即可,它以其高效、低成本、能适应多种可变因素等优势在越来越多的领域得到推广和应用。利用CFD数值计算方法对U型渠道平底抛物线形无喉段量水槽进行数值模拟研究,得到不同工况下量水槽的自由水面线、流速分布等表明其过流特性的水力参数,并将其与现有的试验资料进行对比,为优化量水槽结构提供了新的思路,为进一步扩大其应用范围提供技术参考。

1　数学模型

1.1　量水槽的CFD建模

根据选定的量水槽具体尺寸,利用GAMBIT2.04建立三维几何模型,为使渠道内水流模拟逼真,分别将其进出口延长了一定长度,保证进口为有压流,出口为自由出流。网格划分选用非结构化网格,对量水槽主体结构进行了局部网格加密处理。采用目前较通用的CFD软件之FL U EN T6.0.12进行三维模拟计算,计算模型选用标准k-ε双方程模型及流体体积分数(VOF)模型;采用有限体积法化微分方程为代数方程,用一阶迎风差分格式,对离散方程组的压力速度耦合采用瞬态PISO算法[7]求解。渠槽建模时取顺水流方向为x轴(顺水流为正),宽度方向为z轴(向右为正),高度方向为y轴(向上为正),坐标原点取在U型渠道进口断面(x=0)圆弧中心处。

623收稿日期:20071212

基金项目:国家自然科学基金项目(50479052);国家科技支撑计划(2006BAD11B04);西北农林科技大学青年学术骨干计划资助课题作者简介:郝晶晶(1982),女,河北武邑人,硕士研究生,主要从事水力学及河流动力学方面的研究。

通讯作者:马孝义(1965),男,陕西凤翔人,教授,博士生导师,博士,主要从事农业水土工程方面的研究。

1.2　紊流模型与VOF模型

采用Launder和Spalding[8]提出的k-ε双方程紊流模型对流场进行数值模拟。

流体体积分数(VO F)模型由Hirt[9]提出,对水气二相流场,假设水和气具有相同的速度,即服从同一组动量方程,但它们的体积分数在整个流场中都作为单独变量。在每个单元中,水和气的体积分数为1。如果αw表示水的体积分数,则气的体积分数αa可表示为αa=1-αw,在一个单元中,水的体积分数会有3种情况,即αw=0,1或介于0和1之间,分别与充满气、充满水和包含水气界面3种情况相对应。只要流场中各处的水和气的体积分数都己知,所有其它水和气共有的未知量和特性参数都可用体积分数的加权平均值来表示。

1.3　边界条件及初始条件设置

入口边界由上部的气体入口和下部的水入口组成,分别给PRESSU RE INL ET(压力进口)和V ELOCI2 T Y INL ET(流速进口)边界条件;出口部分由于流动未知,设为自由出流边界条件,给PRESSU RE OU T2 L ET(压力出口)边界条件;渠道的整个底板以及边墙为固壁边界。给定无滑移边界条件;对粘性底层采用壁函数来处理;为防止自由水面波动,建模时预留附加高度,给PRESSU RE INL ET(压力入口)边界条件;整个初始流场中充满气体,通过瞬态时间模拟,水流从入口流入渠槽直至出口,通过对体积分数的迭代求解,就能够自动生成水气的交界面。

2　计算结果与分析

2.1　模型检验

对模型R10H30(渠底半径R=0.1m,渠深H=0.3m,渠底中心角θ=152°抛物线量水槽进、出口渐变段L1=L2=33.3cm,收缩比ε=0.65,抛物线形状系数p=25.342)进行三维紊流数值模拟,分别测得(Q=3.95、12.4、18.3、27.3L/s)4个流量工况下的速度场分布及自由水面线。由于量水槽渐变是影响水流变化的重要因素,因此选取距离喉口断面前后一定距离处的渠道为研究对象,对不同流量工况下量水槽自由水面线的模拟值与试验值进行了对比(如图1),通过分析量水槽沿轴线方向的流速分布,得到其过流特性并与实际情况进行对比,进一步验证了数值模拟的可靠性。

图1　不同流量工况下量水槽自由水面线模拟值与试验值的对比

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