低佛氏数水跃紊流特性研究：数值模拟与消能分析

"低佛氏数水跃紊流数值模拟研究 (2012年)" 本文是一篇关于低佛氏数(Fr1)水跃紊流的水力特性的研究论文，由倡栘、张春财和杜宇等人撰写。研究目的是通过数值模拟探讨低佛氏数水跃在水力工程中的特性，特别是消能效果和流态演变。研究方法采用了Volume of Fluid (VOF)方法来处理闸门上下游表面，并运用二维RNG型k-ε紊流数学模型进行模拟。 在Fr1=2.0至4.5的范围内，研究人员分析了水跃后的水深、水跃长度以及流速分布。他们发现，当淹没系数大于1.2时，水跃长度超过了其他经验公式计算的结果，并且随着佛氏数的增加，水跃长度的增大幅度也在增加。这表明在低佛氏数条件下，水跃的形成和扩展有其特殊性。 在水跃区内，各断面时均流速的最大值沿水流方向逐渐减小，说明流速在经过水跃时受到显著的减速。而在跃后明渠流区，断面各点的平均流速则没有明显的变化，显示流态相对稳定。 水跃区与漩滚交界处，特别是在泄水闸门附近，紊动能和耗散率达到最大值，这揭示了该区域的湍流活动尤为活跃。随着佛氏数的增加，理论消能率和实际消能率都呈现增长趋势，其中理论消能率高于考虑了跃后紊动能的实际消能率。这表明在低水头水利枢纽中，由于低佛氏数水跃的实际消能效率较低，需要特别关注消能设施的设计以防止冲刷问题。 研究结果对于理解和优化低水头水利枢纽的泄洪设计具有重要意义，可以为工程实践提供理论支持和参考依据。通过数值模拟，能够更精确地预测和评估低佛氏数水跃的性能，从而提高水工结构的安全性和效率。