南 洪，贺 威，韩鹏辉，张丽花

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安710065)

竖井旋流消能结构是使泄洪洞高速水流在消能竖井内旋转，增大水流沿程损失，并且通过水流在井底水垫的掺和，达到水流消能的目的[1]，是泄水建筑物一种较新的布置形式[2－4]，近年来沙牌和溪古等水电工程采用了竖井旋流泄洪洞[5－9]。

竖井旋流泄洪洞的研究方法主要有水力学仿真计算和传统的模型试验。因为竖井内水流复杂，常规的测量方法很难测量涡室及竖井内的水力参数[10]。水力学仿真计算具有计算效率高、成本低、无比尺效应等优点。因此，采用数值仿真计算方法，研究竖井旋流泄洪洞的水力特性，并与水工模型试验进行对比验证，可为评判竖井旋流泄洪洞水力学数值仿真计算的适应性提供参考。

1 数值计算原理

1.1 k－ε双方程模型

本计算采用的紊流模型为k－ε模型，连续性方程为[10－15]:

动量方程为:

紊动动能k方程为:

紊动耗散率ε方程为:

式中:t为时间;ρ和μ分别为密度和分子黏性系数;P为修正的压力;ui和xi分别为速度和坐标分量;σε和σk分别为ε和k的紊流普朗特数，计算取σk=1.0，σε=1.3;G为平均速度梯度引起的紊动动能产生项;C1ε和C2ε为ε方程常数，计算取C1ε=1.44，C2ε=1.92;μt为紊流黏性系数，可由紊动耗散率 ε和紊动动能k求出:

式中:Cμ为常数，计算中 Cμ=0.09。

1.2 VOF模型

图1 竖井旋流泄洪洞体型图(单位:m)

采用VOF方法的k－ε紊流模型，分子黏性系数μ以及密度ρ用体积分数的平均值给出，μ和ρ是体积分数的函数，可用下式表示:

式中:αa和αw分别为单元中气和水的体积分数;ρa和ρw分别为气和水的密度;μa和μw分别为气和水的分子黏性系数。……