基于flow-3d的錫崖溝瀑布水力模擬研究

基于flow-3d的錫崖溝瀑布水力模擬研究

古人說：“如果你的水平原因是彎曲的，你就會有強烈的泡沫”，“如果你的水平原因是靜態(tài)的，你就會有平靜的。”。“水為庭院靈魂”,由此可見水在園林景觀中的重要作用,因此,景觀瀑布作為水景形態(tài)之一,在城市景觀設(shè)計中運用較多,隨著城市的發(fā)展景觀瀑布已經(jīng)是人們喜聞樂見的水景景觀。然而目前,我國現(xiàn)有的設(shè)計手冊資料中對瀑布的設(shè)計僅限于提出了不同堰型的水力學(xué)公式,而對于不同流量條件下瀑布的姿態(tài)、瀑身的破碎點、堰面光滑度及空氣等因素對瀑布觀賞性影響的模擬分析則相對甚少,因而對難以確定的流量、堰上水頭等參數(shù),應(yīng)用FLOW-3D進行模擬試驗。景觀瀑布在許多旅游景點得到應(yīng)用,因此景觀瀑布水力模擬對于類似工程有指導(dǎo)性意義。1建立模型和模擬方法1.1基于rhenoceros的寬頂堰式模型的建立參照華北水利水電學(xué)院水力學(xué)研究所對錫崖溝瀑布整體景觀水力模型試驗,應(yīng)用Rhinoceros軟件建立寬頂堰式模型(見圖1),模型過流寬度為10m,落水高度為7m,堰高為1m,單寬流量模擬范圍為0～26L/(m·s)。1.2求解器的設(shè)計FLOW-3D的計算過程大致包括三個部分:前處理,包括幾何模型的選取和網(wǎng)格劃分(見圖2);求解器,包括確定計算流體力學(xué)方法的控制方程,選擇離散方法進行離散,選用數(shù)值計算方法,輸入相關(guān)參數(shù);后處理,包括速度場、壓力場及其他參數(shù)的計算機可視化及動畫處理等,很多三維可視化軟件也能識別FLOW-3D的結(jié)果文件。1.3形顯示功能Teoplot集XY圖、二維/三維曲面以及空間立體的數(shù)據(jù)圖形顯示功能于一身,具有多種繪圖方式:等值線/面、網(wǎng)格、向量、流線、軌跡、投影和散布符等。因此采用Teoplot軟件,對FLOE-3D結(jié)果文件進行處理,可以有效地得到結(jié)果數(shù)據(jù)。2結(jié)果與分析2.1成巖流量-水舌長度關(guān)系模擬時通過改變輸入流量可以發(fā)現(xiàn),堰流隨流量增大有兩種姿態(tài)。當(dāng)流量較小時,水流緊貼堰壁下流無法形成“水舌”。見圖3。隨著流量繼續(xù)增加達(dá)到某一個值后會形成拋射,水流脫離堰壁并在出水口下緣形成一段光滑的鏡面水舌。綜合考慮景觀效應(yīng),鏡面水舌的效果和長度會對景觀瀑布產(chǎn)生很大影響。隨著流量進而增大,鏡面水舌的長度也會增大,(見表1)當(dāng)流量增大到一定程度后,流量-水舌長度關(guān)系曲線趨于水平(見圖4),對于堰頂水頭,隨著流量的增加,堰頂水頭呈現(xiàn)非線性增加,增加幅度亦有所減小(見表1、圖4)。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示,寬頂堰當(dāng)流量為3.89L/(m·s)、堰頂水頭為1.91cm時開始起拋,此后,堰頂水頭、水舌長度隨流量增加而非線性增加,當(dāng)堰頂水頭、流量分別超過4.86cm、16.78L/(m·s)時,流量-水舌長度關(guān)系曲線趨于水平趨于平緩,即隨流量繼續(xù)增大,水舌長度不再增加。瀑布景觀根據(jù)水流自起拋后可以大致分為3部分(見圖5)鏡面水舌是水流拋射后的第一段,在鏡面水舌下緣,由于水流開始明顯的摻氣,水舌開始被破壞,形成條帶狀,形成第二段帶狀水流。第三段即水流完全被破壞稱為水滴狀下落——滴狀水流。2.2流量對公司資源量的影響瀑身整個落水過程實際上是堰頂水流動能產(chǎn)生的慣性力、重力、水流黏滯力、空氣阻力已經(jīng)大氣壓力綜合作用的結(jié)果。在流量較小的時,水流的慣性力不足以克服水流與堰壁的黏滯阻力和空氣阻力,從而出現(xiàn)小流量時水流緊貼堰壁流淌——貼壁流;隨著流量的增大,流速增大的同時動能也相應(yīng)增加,當(dāng)達(dá)到臨界值3.89L/(m·s)時,水流的慣性力足以克服水流與堰壁的黏滯阻力和空氣阻力便出現(xiàn)了拋射并形成鏡面水舌。此后拋射后的水體呈現(xiàn)自由跌落狀態(tài),跌落速度不斷加大,相應(yīng)對應(yīng)的空氣阻力也不斷增加,水舌越來越薄即水舌橫斷面不斷減小,最終水體被撕裂、破碎,形成滴狀水流。當(dāng)流量繼續(xù)增大,空氣阻力增加甚微,故單位水體受到的阻力相應(yīng)減小,因此鏡面水舌的破碎點會下移,鏡面水舌的長度也相應(yīng)增加。由于涉及很多復(fù)雜因素的影響,鏡面水舌長度-流量、堰頂水頭-流量關(guān)系曲線將不再推求。從流量,堰頂水頭,水舌長度等水力要素對比(見表1、表2)原型數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本一致,保證了應(yīng)用FLOW-3D軟件模擬的結(jié)果正確性。3舌頭和周圍的空氣之間的影響3.1交互作用的特性景觀瀑布符合發(fā)生摻氣的兩個條件(高速水流、充分紊動),故會形成泡沫狀的白色水氣混合體——摻氣現(xiàn)象。通常摻氣的主要原因是水流射入空氣后,當(dāng)流速達(dá)到一定程度,水流與空氣交界面會出現(xiàn)漩渦、波浪現(xiàn)象。水舌被阻滯部分以及空氣被水舌帶動部分將隨著落水距離的增加而加厚。從而在水舌和空氣的兩個接觸面間,分別在水舌和空氣中形成了兩個邊界層。由于空氣的阻滯作用,水舌和空氣交界面上將產(chǎn)生一些小的波紋,隨著波幅的加大而形成小漩渦,它將隨著邊界層的發(fā)展而深入水舌內(nèi)部。因此,水舌下緣往往因流速過快形成摻氣水流進而破壞鏡面水舌。3.2不穩(wěn)定堰流的形成機理形成鏡面水舌后,水舌在空氣中運動,由于水和空氣之間的黏滯作用,水舌表面的流體微團的運動速度將慢慢減慢,而和水舌表面接觸的空氣則被水舌帶走,將會在水舌內(nèi)側(cè)形成負(fù)壓促使水舌擺動,從而形成不穩(wěn)定堰流;相反,空氣不能很好地流通,會致使負(fù)(正)壓出現(xiàn),也會干擾到堰流跌落的穩(wěn)定即水流-空氣-壓強循環(huán)效應(yīng)體。3.3水體穩(wěn)定程度對公司資源量的影響堰前水流的穩(wěn)定性程度也會影響到瀑布的審美效果經(jīng)過定性模擬試驗,添加促使堰前水流紊動因素,鏡面水舌長度驟減。由此可見水體的穩(wěn)定程度對鏡面水舌長度影響很大。為此,應(yīng)避免堰前水流紊動、堰頂溢流不均勻,順應(yīng)水流的流動特性,以獲得比較好的瀑布景觀效果。4長算法總水舌長度的影響在工程應(yīng)用中景觀瀑布水力要素決定水流姿態(tài),進而影響瀑布的觀賞性,正確分析出景觀瀑布的水力要素,對實際工程具有重要指導(dǎo)意義。(1)寬頂堰式水流姿態(tài)與流量有關(guān)。當(dāng)流量較小時形成貼壁流;當(dāng)達(dá)到3.89L/(m·s)時,水流會脫離堰壁拋入空中進而跌落。(2)鏡面水舌的長度與流量、堰前水流紊動程度有關(guān)。在3.89～16.78L/(m·s)流量段,鏡面水舌長度隨流量增加而增加的幅