水力学数字实验室: 进入虚拟水力世界

在工程水力学研究中,近年来随着计算机技术的快速发展,一些可以用来进行复杂流场数值模拟的商用软件也日益成熟,结合工程问题研究进行了非常好的尝试。国际上目前也有将数值计算归为水利信息学中,如近几年召开的Hydroinformatics会议,收录了这方面大量的文章,但是国内总体还是按学科划分,因此本节着重介绍近几年来结合水工水力学研究开展的数值计算工作。

目前国内外对水工水力学问题还是以实体工程物理模型试验为主要研究手段,在一些局部体型的研究中开展了数值计算研究,虽然目前的计算精度和模拟范围还不能替代模型试验,但总体上讲,能够基本符合试验流态和压力分布情况,从而为辅助分析复杂流场特性提供了一条重要手段,与采用模型试验开展复杂流场研究形成互补,因此有人提出建立“水力学数字试验室”的概念。

处理复杂几何边界的方法因数值离散方法的不同而异,要从数学上完善非线性数值解的理论,以减少误差和解决收敛等问题还需要做很多工作。为了推动数值模拟方法在复杂流场的应用,国内外许多学者致力于模拟复杂边界水流的研究,提出了一些实用方法,如:级梯近似法、坐标变换法、任意网格差分法、适度系数法、不同坐标系组合法、等参元函数坐标变换法等。(www.xing528.com)

带有自由表面的水流是一种常见的水流现象,也是流体数值计算中颇为棘手的问题之一。由于自由表面形状事先未知,成为强非线性的不确定边界问题。此外,自由表面为多值函数或发生破碎时,还需要一些特殊技巧来处理,因此增加了自由表面确定的难度。国内外的许多学者对其进行了广泛而深入的研究和探索后,提出了一些行之有效的处理方法。如:静压假定、刚盖假定、弹性盖法、标高函数法、MAC法、VOF法、流线迭代法等。

研究复杂流场计算方法和针对一些经典问题开展数值模拟分析研究的论文非常之多,但是真正用于进行水利水电工程中复杂流场研究的是近几年。黄春花,陈肇和等提出了挑坎、弯道等体型的数值计算方法,进行消能工的优化研究。李玲,陈永灿等采用k-ε 紊流模型模拟水流紊动特性,利用体积函数法(VOF法)跟踪自由水面,模拟泄洪隧洞内龙落尾段水流的流动结构,得到溪洛渡水电站泄洪隧洞内水位、流速及压力的变化规律,模拟结果与模型试验成果吻合良好。张晓东、刘之平等采用k-ε 双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法,模拟了竖井旋流泄洪洞复杂的水流运动,得到自由水面,流速及压力等水力要素的分布规律,较好地模拟了旋流竖井式泄洪洞的泄流过程,获得具有工程意义的各项水力参数。夏庆福等应用标准k-ε 双方程模型对洞塞消能工进行了数值模拟计算,数模的结果与试验结果和经验公式计算的结果比较接近,误差小于5%。李定方,陈惠玲将雾化强降雨区作为雾源,并将雾源和风速场置于一体进行数值计算,取得成果与相关模型及原型获得结论比较一致。苑明顺和余子牛用大涡模拟方法,对三峡永久船闸阀门段进行了数值分析计算,探讨阀门段采用顶扩和底扩两种设计体型条件下的阀门段流态以及门后水流的细部结构,以比较对阀门空化和振动特性的影响。许唯临等在对入流条件研究的基础上,采用三维k-ε 模型模拟了水垫塘内的复杂紊流流场,并得到了实验测试结果的验证。结合向家坝大型消力池开展的三维复杂流场模拟,目前计算的结果在时均压力分布、水面线、流场整体特性方面都取得了与试验结果比较接近的结果,也为辅助分析复杂流场特性提供了手段。