OpenFOAM与HEC-RAS/WSPG：开放渠道水流中液压跳跃精度与模型复杂性的对比研究

本文主要探讨了在带有水力跳跃的明渠水流计算中，流行的水力模型（如HEC-RAS和WSPG）与三维计算流体动力学（CFD）模型（OpenFOAM）之间的精确度和建模复杂性的对比研究。这项研究发表在《水资源保护期刊》(Journal of Water Resource and Protection)上，于2019年11期，1233-1244页，ISSN Online:1945-3108 和 ISSN Print:1945-3094，DOI:10.4236/jwarp.2019.1110071，于2019年10月9日发布。 研究中，作者Theodore V. Hromadka II和Prasada Rao针对Froude数为6.125、雷诺数为3.54×105的流体进行了实验。水力模型通常依赖于一维能量方程来预测流体行为，而CFD模型则更为细致，采用三维雷诺平均Navier-Stokes (RANS) 方程，并结合 turbulence models 来解决复杂流动问题。 实验结果显示，尽管水力模型在预测稳态跳跃位置方面表现良好，但在水力跳跃的长度以及其他动态特性，如跳跃的精细结构方面，CFD模型展现出更高的计算精度。这是因为CFD模型能够考虑流体在三维空间内的非均匀性和复杂流动效应，而这些在传统的基于简化假设的一维模型中往往被忽略。 值得注意的是，水力模型的计算结果对渠道底部粗糙度值非常敏感，这意味着它们可能无法准确模拟粗糙表面对流动的影响。相比之下，CFD模型由于其更全面的物理描述，能够更好地处理这种复杂性。 总结来说，这篇研究强调了在处理复杂流场，特别是涉及水力跳跃的开放渠道水流时，CFD模型（如OpenFOAM）在提供更高精度的预测和理解流动行为上的优势，即使这可能会增加模型的复杂性和计算成本。这对于工程设计和优化，特别是在水利工程、水力发电或防洪等领域，具有重要的实践意义。