基于flow-3d的锡崖沟瀑布水力模拟研究

基于flow-3d的锡崖沟瀑布水力模拟研究

古人说：“如果你的水平原因是弯曲的，你就会有强烈的泡沫”，“如果你的水平原因是静态的，你就会有平静的。”。“水为庭院灵魂”,由此可见水在园林景观中的重要作用,因此,景观瀑布作为水景形态之一,在城市景观设计中运用较多,随着城市的发展景观瀑布已经是人们喜闻乐见的水景景观。然而目前,我国现有的设计手册资料中对瀑布的设计仅限于提出了不同堰型的水力学公式,而对于不同流量条件下瀑布的姿态、瀑身的破碎点、堰面光滑度及空气等因素对瀑布观赏性影响的模拟分析则相对甚少,因而对难以确定的流量、堰上水头等参数,应用FLOW-3D进行模拟试验。景观瀑布在许多旅游景点得到应用,因此景观瀑布水力模拟对于类似工程有指导性意义。1建立模型和模拟方法1.1基于rhenoceros的宽顶堰式模型的建立参照华北水利水电学院水力学研究所对锡崖沟瀑布整体景观水力模型试验,应用Rhinoceros软件建立宽顶堰式模型(见图1),模型过流宽度为10m,落水高度为7m,堰高为1m,单宽流量模拟范围为0～26L/(m·s)。1.2求解器的设计FLOW-3D的计算过程大致包括三个部分:前处理,包括几何模型的选取和网格划分(见图2);求解器,包括确定计算流体力学方法的控制方程,选择离散方法进行离散,选用数值计算方法,输入相关参数;后处理,包括速度场、压力场及其他参数的计算机可视化及动画处理等,很多三维可视化软件也能识别FLOW-3D的结果文件。1.3形显示功能Teoplot集XY图、二维/三维曲面以及空间立体的数据图形显示功能于一身,具有多种绘图方式:等值线/面、网格、向量、流线、轨迹、投影和散布符等。因此采用Teoplot软件,对FLOE-3D结果文件进行处理,可以有效地得到结果数据。2结果与分析2.1成岩流量-水舌长度关系模拟时通过改变输入流量可以发现,堰流随流量增大有两种姿态。当流量较小时,水流紧贴堰壁下流无法形成“水舌”。见图3。随着流量继续增加达到某一个值后会形成抛射,水流脱离堰壁并在出水口下缘形成一段光滑的镜面水舌。综合考虑景观效应,镜面水舌的效果和长度会对景观瀑布产生很大影响。随着流量进而增大,镜面水舌的长度也会增大,(见表1)当流量增大到一定程度后,流量-水舌长度关系曲线趋于水平(见图4),对于堰顶水头,随着流量的增加,堰顶水头呈现非线性增加,增加幅度亦有所减小(见表1、图4)。结果数据显示,宽顶堰当流量为3.89L/(m·s)、堰顶水头为1.91cm时开始起抛,此后,堰顶水头、水舌长度随流量增加而非线性增加,当堰顶水头、流量分别超过4.86cm、16.78L/(m·s)时,流量-水舌长度关系曲线趋于水平趋于平缓,即随流量继续增大,水舌长度不再增加。瀑布景观根据水流自起抛后可以大致分为3部分(见图5)镜面水舌是水流抛射后的第一段,在镜面水舌下缘,由于水流开始明显的掺气,水舌开始被破坏,形成条带状,形成第二段带状水流。第三段即水流完全被破坏称为水滴状下落——滴状水流。2.2流量对公司资源量的影响瀑身整个落水过程实际上是堰顶水流动能产生的惯性力、重力、水流黏滞力、空气阻力已经大气压力综合作用的结果。在流量较小的时,水流的惯性力不足以克服水流与堰壁的黏滞阻力和空气阻力,从而出现小流量时水流紧贴堰壁流淌——贴壁流;随着流量的增大,流速增大的同时动能也相应增加,当达到临界值3.89L/(m·s)时,水流的惯性力足以克服水流与堰壁的黏滞阻力和空气阻力便出现了抛射并形成镜面水舌。此后抛射后的水体呈现自由跌落状态,跌落速度不断加大,相应对应的空气阻力也不断增加,水舌越来越薄即水舌横断面不断减小,最终水体被撕裂、破碎,形成滴状水流。当流量继续增大,空气阻力增加甚微,故单位水体受到的阻力相应减小,因此镜面水舌的破碎点会下移,镜面水舌的长度也相应增加。由于涉及很多复杂因素的影响,镜面水舌长度-流量、堰顶水头-流量关系曲线将不再推求。从流量,堰顶水头,水舌长度等水力要素对比(见表1、表2)原型数据与模拟数据基本一致,保证了应用FLOW-3D软件模拟的结果正确性。3舌头和周围的空气之间的影响3.1交互作用的特性景观瀑布符合发生掺气的两个条件(高速水流、充分紊动),故会形成泡沫状的白色水气混合体——掺气现象。通常掺气的主要原因是水流射入空气后,当流速达到一定程度,水流与空气交界面会出现漩涡、波浪现象。水舌被阻滞部分以及空气被水舌带动部分将随着落水距离的增加而加厚。从而在水舌和空气的两个接触面间,分别在水舌和空气中形成了两个边界层。由于空气的阻滞作用,水舌和空气交界面上将产生一些小的波纹,随着波幅的加大而形成小漩涡,它将随着边界层的发展而深入水舌内部。因此,水舌下缘往往因流速过快形成掺气水流进而破坏镜面水舌。3.2不稳定堰流的形成机理形成镜面水舌后,水舌在空气中运动,由于水和空气之间的黏滞作用,水舌表面的流体微团的运动速度将慢慢减慢,而和水舌表面接触的空气则被水舌带走,将会在水舌内侧形成负压促使水舌摆动,从而形成不稳定堰流;相反,空气不能很好地流通,会致使负(正)压出现,也会干扰到堰流跌落的稳定即水流-空气-压强循环效应体。3.3水体稳定程度对公司资源量的影响堰前水流的稳定性程度也会影响到瀑布的审美效果经过定性模拟试验,添加促使堰前水流紊动因素,镜面水舌长度骤减。由此可见水体的稳定程度对镜面水舌长度影响很大。为此,应避免堰前水流紊动、堰顶溢流不均匀,顺应水流的流动特性,以获得比较好的瀑布景观效果。4长算法总水舌长度的影响在工程应用中景观瀑布水力要素决定水流姿态,进而影响瀑布的观赏性,正确分析出景观瀑布的水力要素,对实际工程具有重要指导意义。(1)宽顶堰式水流姿态与流量有关。当流量较小时形成贴壁流;当达到3.89L/(m·s)时,水流会脱离堰壁抛入空中进而跌落。(2)镜面水舌的长度与流量、堰前水流紊动程度有关。在3.89～16.78L/(m·s)流量段,镜面水舌长度随流量增加而增加的幅