為研究局部斷面突縮對(duì)潰壩水流演進(jìn)的影響,采用有限體積法數(shù)值離散雷諾時(shí)均方程,并以COBRAS模型為基礎(chǔ)建立了三維k-ε紊流數(shù)學(xué)模型,利用壓力隱式算子分割法求解紊流方程,自由液面采用流體體積法追蹤。通過經(jīng)典潰壩物理模型試驗(yàn)資料對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上,數(shù)值模擬了局部斷面突縮條件下的潰壩水流特性。計(jì)算結(jié)果表明:斷面突縮引發(fā)了水流的強(qiáng)烈紊動(dòng),斷面上游發(fā)生水躍、形成負(fù)波;潰壩水流在斷面收縮處快速雍高,而后向上下游逐漸擴(kuò)散;動(dòng)壓強(qiáng)在突縮斷面的最大洪峰形成過程中達(dá)到了最大值,然后逐漸減小;總壓強(qiáng)在突縮斷面最大洪峰形成前后的一段時(shí)間內(nèi)保持著較為穩(wěn)定的最大值。 

【文章來源】：水力發(fā)電學(xué)報(bào). 2016年05期 北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

物理模型剖面圖

戎貴文，等：基于COBRAS模型的突縮斷面潰壩水流特性研究97（c）t=0.52s（d）t=0.76s圖2不同時(shí)刻水位剖面圖Fig.2Developmentofwatersurfaceprofilesatasequenceoftimes4模型應(yīng)用4.1物理模型所用的物理模型是Kocaman[3]關(guān)于潰壩問題的試驗(yàn)和理論研究時(shí)使用的水槽模型（見圖3）。該模型整體上是一個(gè)六面體，長(zhǎng)8.9m，寬0.30m，高0.34m。擋板將模型分為上、下游兩個(gè)部分，上游為有水區(qū)域，代表水庫(kù)庫(kù)區(qū)，下游為無水區(qū)域。初始時(shí)刻水槽上游水位為0.25m，下游無水。在下游1.52m處水槽兩側(cè)設(shè)置有兩個(gè)對(duì)稱的梯形底面四棱柱，以形成局部收縮斷面，最窄處為0.1m。（a）主視圖（b）俯視圖圖3模型平面圖Fig.3Planeviewofphysicalmodel4.2網(wǎng)格劃分及邊界條件以六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分尺寸為Δx=Δy=Δz=5mm，網(wǎng)格單元數(shù)為913920個(gè)。上游進(jìn)口沒有來水流量補(bǔ)充，故將上游進(jìn)口按壁面邊界條件處理，在壁面上采用無滑移條件；下游出口為自由出流；上部為壓力進(jìn)口邊界，設(shè)定壓力為零（相對(duì)壓力）；其它邊界均按壁面邊界條件，采用等效糙率的方法處理，并兼顧考慮突縮斷面的滯水及阻水作用，糙率選取0.025。4.3模擬結(jié)果當(dāng)模擬計(jì)算開始，即模型中擋板拔除后，上游水槽中的水體在重力的作用下迅速向下游流動(dòng)，使得上游水位迅速下降，下游水位逐漸抬升，由于水槽局部斷面突縮，當(dāng)水流遇到突縮斷面后產(chǎn)生了負(fù)波，下游水體的水深、流速、壓強(qiáng)等水力要素相應(yīng)的發(fā)生很大變化。4.3.1負(fù)波的形成與傳播圖4為負(fù)波形成與傳播過程云圖，圖中左側(cè)的虛線表示壩體潰決口位置，右側(cè)兩條實(shí)線和兩條虛線組成了斷面變形的區(qū)域。（a）負(fù)波形成（b）負(fù)波傳播圖4負(fù)波形成與傳播過程云圖Fig.4Contoursofnegative

戎貴文，等：基于COBRAS模型的突縮斷面潰壩水流特性研究97（c）t=0.52s（d）t=0.76s圖2不同時(shí)刻水位剖面圖Fig.2Developmentofwatersurfaceprofilesatasequenceoftimes4模型應(yīng)用4.1物理模型所用的物理模型是Kocaman[3]關(guān)于潰壩問題的試驗(yàn)和理論研究時(shí)使用的水槽模型（見圖3）。該模型整體上是一個(gè)六面體，長(zhǎng)8.9m，寬0.30m，高0.34m。擋板將模型分為上、下游兩個(gè)部分，上游為有水區(qū)域，代表水庫(kù)庫(kù)區(qū)，下游為無水區(qū)域。初始時(shí)刻水槽上游水位為0.25m，下游無水。在下游1.52m處水槽兩側(cè)設(shè)置有兩個(gè)對(duì)稱的梯形底面四棱柱，以形成局部收縮斷面，最窄處為0.1m。（a）主視圖（b）俯視圖圖3模型平面圖Fig.3Planeviewofphysicalmodel4.2網(wǎng)格劃分及邊界條件以六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分尺寸為Δx=Δy=Δz=5mm，網(wǎng)格單元數(shù)為913920個(gè)。上游進(jìn)口沒有來水流量補(bǔ)充，故將上游進(jìn)口按壁面邊界條件處理，在壁面上采用無滑移條件；下游出口為自由出流；上部為壓力進(jìn)口邊界，設(shè)定壓力為零（相對(duì)壓力）；其它邊界均按壁面邊界條件，采用等效糙率的方法處理，并兼顧考慮突縮斷面的滯水及阻水作用，糙率選取0.025。4.3模擬結(jié)果當(dāng)模擬計(jì)算開始，即模型中擋板拔除后，上游水槽中的水體在重力的作用下迅速向下游流動(dòng)，使得上游水位迅速下降，下游水位逐漸抬升，由于水槽局部斷面突縮，當(dāng)水流遇到突縮斷面后產(chǎn)生了負(fù)波，下游水體的水深、流速、壓強(qiáng)等水力要素相應(yīng)的發(fā)生很大變化。4.3.1負(fù)波的形成與傳播圖4為負(fù)波形成與傳播過程云圖，圖中左側(cè)的虛線表示壩體潰決口位置，右側(cè)兩條實(shí)線和兩條虛線組成了斷面變形的區(qū)域。（a）負(fù)波形成（b）負(fù)波傳播圖4負(fù)波形成與傳播過程云圖Fig.4Contoursofnegative

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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