蔺蕾蕾，薛 瑞，张 淼

1 引言

泄洪洞是泄水建筑物常用布置形式，很多水电工程采用泄洪洞承担泄洪任务。对于洞径较长且洞线不为直线的泄洪洞，洞内水流情况复杂，常规方法很难精确洞内流速、压强、水面线、风速等参数[1][3]。水力学数值仿真计算具有成本低、效率高、计算精度高、无比尺效应等优点[2][4]。因此，采用数值仿真计算软件Fluent研究长泄洪洞的水力特性，并与水工模型试验结果进行对比。

2 数值计算原理

2.1 k－ε双方程模型

本计算采用的紊流模型为k－ε模型，连续方程、动量方程和k、ε方程分别表示如下[1][2][3]：

连续方程为

动量方程为：

紊流动能K方程为：

紊流耗散率ε方程为：

式中：t为时间；ρ为密度；μ为分子粘性系数；P为修正压力；ui为速度分量；xi为坐标分量；∂ε为ε的紊流普朗特数，计算时 ∂ε=1.0；∂k为 k 的紊流普朗特数，计算时 ∂k=1.3；G 为平均速度梯度引起的紊流动能产生项；C1ε、C2ε为ε方程常数，计算时取 C1ε=1.44，C2ε=1.92；μt为紊流粘性系数，可由紊流耗散率 ε 和紊流动能 k求出：，式中Cμ为常数，计算时取Cμ=0.09。

2.2 VOF模型

采用VOF方法的k－ε紊流模型，分子粘性系数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[1][2][3]：

式中：αw为水的体积分数，ρw和ρα分别为水和空气的密度，μw和μα分别是水和空气的分子粘性系数。

水和气的界面通过求解以下方程来完成：

3 数值计算模型

3.1 某水电站1#泄洪洞设计体型

某水电站1#泄洪洞采用岸塔式有压短洞进口的无压洞，由进水口，无压段，挑流鼻坎组成。进口底坎高程与天然河床一致为922.00 m，泄洪洞进口孔口7.00 m×7.00 m，其后为底坡等于0.0306的无压隧洞段，洞断面为城门洞形，后接挑流鼻坎。……