基于SPH的台阶式溢洪道消能的数值研究

With technical advances in the construction of Roller Compacted Concrete (RCC) dams and considerable amount of energy dissipation along the chute leading to reduction in the size of the stilling basin, the stepped spillways were very popular at present. For the complicated flow in the stepped spillways, the model tests, which would take the long periods and high costs, were the main method to investigate the flow and energy dissipation of stepped spillways. The numerical simulation was the best way to avoid this problem. In last ten years, the VOF model, was used to simulation the flow in stepped spillway. In according to the flip shot of water, strong mixing between air and water and flow break, the VOF model was limited here. .The smoothed particle hydrodynamics, short as SPH, will be used to simulate the flow in stepped spillways in this project. The air-liquid phase model and inlet-outlet model will be used to improve the SPH to make the relevant parameters suitable for this project. Based on the DAHUA project, the relationship between the parameters of steps, such as numbers, height, width, angles of steps and variable parameters of steps, and flow regime and energy dissipation of stepped spillways will be studied in order to provide the reference for the design of stepped spillway in the future.

随着碾压混凝土的技术革新以及缩小消力工的期望，台阶式溢洪道的应用越来越普遍。但台阶式溢洪道水流流动复杂，对其水流流态、消能的研究主要以周期长、耗费高的模型试验为主，但数值模拟可以完美的克服这一问题。近十几年来，对其的数值模拟都是以VOF模型为基础。但台阶式溢洪道水流存在水流挑射、水气强烈渗混、水流破碎等现象，VOF模型存在一定局限性。.本项目拟采用光滑质点水动力学法（SPH）对台阶式溢洪道进行数值模拟。利用气液两相流模型和出入流模型对单相SPH方法进行改进，并研究相关参数以适用于台阶式溢洪道水流的模拟。以青海省大华水库工程为背景，将系统地研究台阶式溢洪道参数（如台阶数、台阶高度、台阶长度、台阶倾角及变参数台阶组合等）对台阶式溢洪道水流流态、消能率的影响，为今后的台阶式溢洪道的设计提供参考。

台阶式溢洪道作为一种新型消能工，可以使两个台阶交汇处避免空蚀的破坏，并且通过台阶能够改变水流流态，消杀水流动能，起到良好的消能效果，在世界范围得到广泛应用，逐渐成为水利工程研究的热点。通过有效的模拟方法，分析和研究台阶式溢洪道上的水流特征和消能规律，具有极其重要的理论意义和工程应用价值。数值模拟具有试验可重复、成本低并且可以高度还原实验条件等优势，正逐渐成为研究台阶式溢洪道水流的重要工具。.光滑质点流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）是目前常用的一种无网格粒子法，具有自适应和拉格朗日等性质，使其在处理复杂的自由表面流动以及多相流应用具有独特的优势，也就促使了SPH方法在台阶式溢洪道水流模拟上的应用。本项目使用DualSPHysics气-液两相方法对台阶式溢洪道水流进行模拟，得到了适用于台阶式溢洪道水流模拟的模型参数；在系统、充分的模型验证和大量工况模拟的基础上，得到了台阶式溢洪道的水流特征和消能规律，发现当台阶数目在78 ~ 81范围内是可以满足大部分工况下对台阶式溢洪道最优消能率的要求。开发了具有自主知识产权的SPH高效并行框架，实现了国际领先的粒子偏移技术、粒子加密技术、边界条件处理技术，并加入了出入流、δ-LES-SPH、k-ε-SPH、低密度两相流等模块，经验证程序框架具有较好的准确性和鲁棒性。.本项目将SPH方法应用于台阶式溢洪道水流的模拟，拓展了SPH方法的应用领域，所得结论为实际工程应用具有重要的指导意义。同时，发展的计算程序框架为形成功能完备、模型丰富的原型程序奠定了坚实基础。