光滑溢流坝过坝水流的二维流场数值模拟及掺气初生点预测

宋 彧，夏燕芬

(河海大学力学与材料学院，南京 210098)

溢流坝面按其边界几何特性可以分为坝顶曲线段、陡坡段、反弧段及反弧后水平段4部分。由于水流情况复杂，至今对溢流坝面的水流流场还没有一个全面、透彻的认识。而曲线形溢流坝坝面形成掺气水流，是它具有较高消能率的重要原因之一，所以掺气初生点位置的确定对坝面阶梯设计有着重要影响。近年来，对溢流坝泄流流场以及掺气初生点的研究逐渐增加。Chanson［1－4］在已有实验资料的基础上，分析了坝面流态、掺气原理以及掺气浓度的分布规律，总结出坝面阻力系数和掺气点位置的经验公式。汝树勋［5－6］通过模拟实验，探讨了坝面掺气的形成机理，研究了不同阶梯高度下掺气初生点位置的变化，并给出了确定坝面掺气初生点位置的计算公式及曲线。

随着计算机技术的迅速发展、紊流数学模型理论的广泛应用和计算方法的不断完善，数值模拟已成为研究溢流坝泄流流场的一条重要途径。陈群［7］采用非结构化网格，对阶梯溢流坝面的紊动流场进行了三维数值模拟，得出了流场速度、压力、紊动能和紊动耗散率等的分布规律。李静等［8］用紊流模型模拟了控泄工况下二维和三维数值模拟水面线位置、坝面压力分布以及流线分布情况，并与物理模型的模拟结果进行了对比。本文利用Fluent软件，对溢流坝过坝水流二维流场进行数值模拟，给出了不同水头下自由水面线位置以及坝面沿程流速分布，将紊流边界层与水流自由表面的交点作为掺气初生点，并与实验数据进行比较验证。……