[发明专利]一种当卡水电站泄洪闸下游冲刷过程三维数值模拟方法

说明书

本发明属于水电站泄洪技术领域，公开了一种当卡水电站泄洪闸下游冲刷过程三维数值模拟方法，基于河床泥沙颗粒运动基本特性，建立基于水流随机性及床沙分布随机性的推移质输沙率公式；基于UDF宏函数，对Fluent软件进行二次开发，提取床面节点水流剪切力，计算床面泥沙输沙率；根据河床冲淤平衡原理，将节点间输沙率变化转换为节点高程随时间的变化，藉以控制动边界网格节点移动，实现冲刷坑冲刷过程三维数值模拟。本发明经模型实测资料验证，模拟结果与实测值基本吻合；在冲刷坑的形成过程中，床面切应力分布随床面冲刷变形而不断变化，即冲刷初期冲刷坑底部壁面切应力较大，冲刷中后期冲刷坑内迎水坡壁面切应力较大。

技术领域

本发明属于水电站泄洪技术领域，尤其涉及一种当卡水电站泄洪闸下游冲刷过程三维数值模拟方法。

背景技术

水利水电工程闸坝下游水流流速高、紊动强烈，易造成下游河道产生严重的局部冲刷及沿程冲刷，对水工建筑物自身安全及河道两岸形成严重威胁。准确地预测水电站下游河道的流场信息、冲刷坑最大冲刷深度及冲刷范围，对于开发设计以及保障水电站的安全稳定运行有着十分重要的意义。

在早期分析中，学者们通常是根据现场实测调查资料、物理模型试验，建立了许多冲刷深度计算的经验公式，如Lacey公式、Kennedy公式、维兹果公式、加切奇拉捷及毛昶熙公式等，诸如此类的公式还有很多，但这些公式大多是分析者针对某一具体问题的观测资料分析而提出的，带有很强的经验性，其公式结构形式及计算结果相差较大，难以推广应用。

近年来，随着数值分析理论和计算机软硬件迅猛发展，数值模拟技术在复杂问题的分析中表现出越来越明显的优越性，而被广泛应用于有关问题的分析中。赵志舟等利用马蹄形漩涡理论体系，对冲刷坑边界层的N-S方程进行积分，推导了漩系强度与局部冲刷深度之间的关系，得到了非粘性均匀沙墩前最大局部冲刷深度计算公式；Cheong、Sanghwa等基于随机过程理论，分析计算了桥墩局部冲刷坑；曹传胜、付辉运用神经网络进行了冲刷深度的预测。对于冲刷坑复杂流场的数值模拟，从二维模拟发展到三维模拟。陈永灿、许协庆等采用k湍流模型对冲刷坑形成后的复杂冲刷坑河床形态进行模拟，计算得到二维冲刷坑内流场信息。王晓松、陈璧宏同样采用k湍流模型考虑冲刷坑底部河床的复杂性和自由水面的影响，计算了冲刷后抗体三维流场，得到流速等信息。通过数值模拟计算冲刷坑流场的分析还有很多，如模拟高坝挑流后冲刷坑的计算，模拟低水头枢纽泄水冲刷问题的过程等。王艳明等对三峡溢流坝下的冲坑采用有限体积法进行模拟，得到流场和压力场等内部流场信息。侯斌模拟了低水头枢纽下游突扩一侧的回流区域流场信息，探求这一区域的水流特征对局部冲刷的影响，分析冲刷的原因；齐梅兰等基于FLOW-3D平台，以三维数值方法分析了瞬态孤立波作用下非粘性沙海床上近岸圆柱体周围的紊流流场以及局部冲刷坑的空间分布形态。动网格模拟局部冲刷问题的技术不断更新，各种冲刷模型的提出和应用，局部冲刷的模拟已较为成熟。韦雁机、叶银灿建立了三维流场的数学模型，用以计算局部冲刷坑内流场，并通过应用现有经验公式计算得到了床面瞬时推移质输沙率，结合动网格技术处理得到了动床底部边界随时间的变化规律。祝志文、刘震卿以床面瞬时切应力为临界条件判别床面泥沙起动与运输,并以此计算了床面推移质单宽输沙率(以体积计)，并将其代入河床变形方程得到了动床区域网格节点高程坐标的瞬时变化量，尔后应用边界网格自适应技术对动边界区域网格节点进行调整，从而模拟得到了圆柱形桥墩局部冲刷坑演变发展的全过程；张根广，高改玉，王新雷等通过自行编写UDF宏函数，以泥沙起动切应力作为床面冲刷下移的临界判据条件控制床面高程的变化，采用二维数学模型对横丹、巨亭等水电站泄水建筑物下游冲刷过程进行了数值模拟模拟结果(冲坑形态及深度)均与实测资料符合良好。

综上所述，现有技术存在的问题是：

1)泥沙起动规律研究目前均建立在平整河床、均匀水流的条件下基础上，局部冲刷坑中较陡斜坡(正坡、反坡及侧面斜坡)上的泥沙起动和停留都是非均匀流条件，且水流剧烈掺混，具有强烈的三维性和随机性，因此，对冲刷坑内泥沙起动规律的研究具有很大的挑战性的。