【目的】推求双曲线型薄壁堰堰流的基本方程式,确定双曲线型薄壁堰的流量系数,为实际工程中流量的控制和测量提供参考。【方法】根据双曲线构建了双曲线型薄壁堰,通过能量方程式推导其流量的计算公式;数值模拟了4种不同堰顶水头的过流能力,根据模拟的流量数据利用最小二乘法拟合流量与堰顶水头的关系式,与理论推求的堰流基本公式相结合确定双曲线型薄壁堰的流量系数,辅以RNGk-ε湍流模型数值求解气液两相流时均方程;使用半隐式SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equations)算法求解速度与压力耦合方程组,并用VOF(Volume of fluid)法模拟自由水面。【结果】理论公式计算的流量与数值模拟的流量相差甚微,相对误差在0.3%以内,证明本研究推求公式正确。【结论】双曲线型薄壁堰的流量与堰顶水头成正比关系,该关系为流量的控制和测量提供了便利。
采用欧拉-欧拉多相流模型,辅以RNG k-ε湍流模型对一简化的推流式曝气池进行了数值模拟,控制方程采用有限体积法离散,并采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解。通过模拟得到了不同曝气速度下曝气池特征断面的气相体积分数、气液两相速度的分布规律以及湍动能的变化情况,通过分析比较确定了最佳的曝气速度范围:当曝气速度范围为6.25m/s~7.813m/s时,简化的推流式曝气池内的气体分布均匀,池内的气体和液体混合充分,可为曝气池的合理运行提供参考。
采用数值模拟方法研究了复式断面和矩形断面60°弯道明渠的流场结构。自由水面的捕捉采用VOF(Volume of Fluid)法,雷诺时均N-S方程采用雷诺应力模型封闭。对两种断面渠型水力特性的模拟结果进行了比较,结果表明:复式断面弯道明渠在弯道横断面上存在着多涡结构;滩地上的流速大于主槽上的流速;凹岸和凸岸上的自由液面水位差要比矩形断面的小;水流在渠底的横向运动强度要比矩形断面的大;弯道内外侧的压力差也与矩形断面有所不同。
采用气液两相流大涡模型模拟90°弯道明渠水流的水力特性。使用有限体积法对控制方程进行离散;使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解速度与压力的耦合;采用了VOF(Volume of Fluid)法模拟自由水面。通过计算得到弯道处流速、压强系数、横向环流强度等水力参数的分布规律。分别比较弯道纵向流速与横向流速的模拟值与实验值,二者吻合较好。通过分析弯道环流的流态特征得出:因受重力作用与水流在流经弯道时发生的离心现象的影响,凸岸附近较凹岸存在较大的二次流强度的结果;凸岸与凹岸压强系数均沿程增大,当达到弯顶时,水面横比降达到最大值;弯道横向环流强度随弯道角度增大而逐渐增大,其最大值出现在明渠底部。
