自由面溢流

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水工中溢洪道、溢流坝、泄水孔的流动,20世纪40年代冯.卡门就予以重视,但由于当时没有电子计算机,对溢流坝流场的研究工程界只可能用水工模型实验来解决。20世纪70年代中期到现在,国内外已有许多人通过数值计算来求溢流坝上的流速分布、压强分布、流量系数。设计坝面曲线及分析各种参数的影响,已取得一系列成果,并已规范采用。

先是采用有限元法对二维势流进行计算,现在已可以计算三维坝面流动,考虑闸墩的影响,方法上也不限于有限元,可以采用坐标变换法,把溢流不规则区域变换成矩形区域,然后,再用差分法交替方向进行求解,也有人用边界元法进行。有人发展了一种解析数值解法,将复变函数中解析变换与数值解结合运用。具有自由面策略流的溢流数值计算,内容涉及溢流坝,泄水孔、陡坡急流段,挑流水舌形式等。溢流坝面上流动涉及急、缓流并存,自由面位置待定,流量或者水头未知等因素,给计算带来难度。以上所提到的各种方法,解决问题各具特色。我国在这个计算领域成果较多,方法多样,并具有创造性,处于国际领先地位。

目前,溢流计算除了势流之外,也考虑了边界层的影响。有人直接解溢流坝面曲面边界层微分方程,并应用紊流模型中k~ε方程计算坝面流动和坝身泄水孔孔板流的紊流特性。也有人计算了溢流反弧段流动特性,导流建筑物附近的流场。而溢流坝流动的反问题与安全度及优化问题也开始有人做。

由于水利枢纽形式多样,流动复杂,整体流动问题,目前主要还是依靠水工模型试验来解决。对于水工建筑物的三维计算尚存在不少困难,有待进一步的发展。