為研究局部斷面突縮對潰壩水流演進的影響,采用有限體積法數(shù)值離散雷諾時均方程,并以COBRAS模型為基礎(chǔ)建立了三維k-ε紊流數(shù)學模型,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資料對數(shù)學模型進行驗證,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。計算結(jié)果表明:斷面突縮引發(fā)了水流的強烈紊動,斷面上游發(fā)生水躍、形成負波;潰壩水流在斷面收縮處快速雍高,而后向上下游逐漸擴散;動壓強在突縮斷面的最大洪峰形成過程中達到了最大值,然后逐漸減小;總壓強在突縮斷面最大洪峰形成前后的一段時間內(nèi)保持著較為穩(wěn)定的最大值。 

【文章來源】：水力發(fā)電學報. 2016年05期 北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【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)于潰壩問題的試驗和理論研究時使用的水槽模型（見圖3）。該模型整體上是一個六面體，長8.9m，寬0.30m，高0.34m。擋板將模型分為上、下游兩個部分，上游為有水區(qū)域，代表水庫庫區(qū)，下游為無水區(qū)域。初始時刻水槽上游水位為0.25m，下游無水。在下游1.52m處水槽兩側(cè)設(shè)置有兩個對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)格對模型整體進行網(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。上游進口沒有來水流量補充，故將上游進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；上部為壓力進口邊界，設(shè)定壓力為零（相對壓力）；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)果當模擬計算開始，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，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，當水流遇到突縮斷面后產(chǎn)生了負波，下游水體的水深、流速、壓強等水力要素相應(yīng)的發(fā)生很大變化。4.3.1負波的形成與傳播圖4為負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)兩條實線和兩條虛線組成了斷面變形的區(qū)域。（a）負波形成（b）負波傳播圖4負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)于潰壩問題的試驗和理論研究時使用的水槽模型（見圖3）。該模型整體上是一個六面體，長8.9m，寬0.30m，高0.34m。擋板將模型分為上、下游兩個部分，上游為有水區(qū)域，代表水庫庫區(qū)，下游為無水區(qū)域。初始時刻水槽上游水位為0.25m，下游無水。在下游1.52m處水槽兩側(cè)設(shè)置有兩個對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)格對模型整體進行網(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。上游進口沒有來水流量補充，故將上游進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；上部為壓力進口邊界，設(shè)定壓力為零（相對壓力）；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)果當模擬計算開始，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，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，當水流遇到突縮斷面后產(chǎn)生了負波，下游水體的水深、流速、壓強等水力要素相應(yīng)的發(fā)生很大變化。4.3.1負波的形成與傳播圖4為負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)兩條實線和兩條虛線組成了斷面變形的區(qū)域。（a）負波形成（b）負波傳播圖4負波形成與傳播過程云圖Fig.4Contoursofnegative

【參考文獻】：
期刊論文
[1]非統(tǒng)一結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下高精度潰壩水流數(shù)值模擬[J]. 畢勝,周建中,劉懿,張華杰,趙越.  水力發(fā)電學報. 2014(01)
[2]涌潮作用下丁壩附近水流運動特性的數(shù)值模擬研究[J]. 戎貴文,魏文禮,劉玉玲,許光泉.  水利學報. 2012(03)
[3]潰壩水流數(shù)值計算的非結(jié)構(gòu)有限體積模型[J]. 宋利祥,周建中,王光謙,王玉春,廖力,謝田.  水科學進展. 2011(03)
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[5]基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的潰壩水流干濕變化過程數(shù)值模擬[J]. 張大偉,李丹勛,王興奎.  水力發(fā)電學報. 2008(05)



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