Гидротехника и окружающая среда.

Время от времени каждый, кто интересуется гидравликой, мечтает об инструменте для исследования сложных течений со свободной поверхностью, не требующем работы шваброй. Эксперименты в лабораторном канале могут быть тяжелы в постановке, дороги в исполнении и трудны в повторении. Зато использование FLOW-3D в качестве "компьютерного" канала свободно от подобных изъянов.

Эксперименты при компьютерном моделировании могут быть подготовлены в течение нескольких минут, а решение большинства задач течений со свободной поверхностью может быть получено за несколько часов. Кроме того, результаты численного анализа оказываются точными при сравнении с теоретическими и экспериментальными исследованиями. Это подтверждается даже прим оделировании прерывистых и быстро меняющихся течений (например, течение через слив или развитие гилравлического прыжка).

Замешивание воздуха в гидравлическом прыжке:

Гидравлические прыжки наблюдаются во многих случаях открытого течения. Они особенно полезны для увеличения потерь напора с целью уменьшения эрозии или других эффектов сысокоскоростных течений.Фронт гидравлического прыжка чрезвычайно нестабилен и поэтому способен захватить большое количество воздуха. В данном примере гидравлический прыжок образуется ниже ворот шлюза. Уровень воды в верхнем бьефе имеет высоту 0.574m, а в нижнем 0.25m. Дно имеет ступень высотой 0.09m расположенную в 1.2m ниже ворот, помогающую, поймать прыжок. Число Froude для выходящего из ворот потока равно F_r=3.98.

Расхождение с данными эксперимента Rajaratnam [“Hydraulic Design Considerations,” ed. by Ian R. Wood, IAHR Monograph, Balkema, Rotterdam, 1991] составляет менее 7%. Учитывая нестабильность течения, следует признать высокой корреляцию рассчетных и экспериментальных данных.

Захват воздуха в водосливе:

Замешивание воздуха через поверхность текущей воды важно для поддержания роста микроорганизмов на предприятиях по очистке воды и обеспечения здоровых рыбных популяций. В некоторых гидравлических системах замешивание воздуха используется также для уменьшения вероятности кавитационных повреждений.

Воздух замешивается в воду, когда турбуленция жидкости на поверхности достаточно интенсивная. В частности турбуленция может быть достаточно сильной для преодоления стабилизирующих эффектов гравитации и поверхностного натяжения. Будучи замешанным, воздух вызывает увеличение объема жидкости и изменяет усредненное значение ее плотности.

Моделируемый водослив имеет горизонтальную протяженность 12.5 m. Уровень воды в верхнем бьефе задан величиной 1 m над гребнем водослива. Шероховатость поверхности водослива задана по бетону. При моделировании использована RNG модель турбуленции, хотя и k-epsilon модель дает близкие результаты.

Расчет выполнялся до выхода на установившийся режим. Левый рисунок показывает возрастание турбулентной кинетической энергии в пограничном слое. Это происходит примерно на протяжении двух третей пути по водосливу. В данной точке воздух захватывается и уносится турбуленцией в водную массу, правый рисунок. Приведенная таблица показывает сравнение расчетных значений объемной доли воздуха с экспериментальными данными, полученными на водопаде св. Антония в лаборатории гидравлики Миннесотского университета учеными L.G. Straub и A.G. Anderson в 1958 году. Хорошо соответствуют этим данным материалы I.R. Wood в монографии международной ассоциации гидравлических исследований “Hydraulic Design Considerations”, опубликованной в Роттердаме в 1991 году. Экспериментальные данные были обработаны по приведенной в этой работе формуле, дающей объемную долю замешанного воздуха как функцию нормированного расстояния от поверхности водослива.

Ворота шлюза:

Гидравлический прыжок наблюдается, когда движение потока через шлюз свободно и на нижнем бьефе имеется достаточная глубина воды. На приведенном рисунке течение ниже шлюза сверхкритическое (Fr >1). Следующей глубиной потока было выбран нижний бьеф. Это вызвало прыжок сразу за шлюзом. Жидкость окрашена по скорости вниз по течению. Окрашена только часть области.

Эрозия: размыв грунта вокруг опоры:

Эрозия около гидротехнических конструкций может привести к значительным разрушениям и представляет риск для безопасности. Для оценки скорости и объема размыва обычно применяются эмпирические методы, часто с ограниченным успехом.Данный пример показывает, что FLOW-3D может предсказывать значение локального размыва вокруг конструкций гидротехнических сооружений. Обратите внимание на яму, непосредственно окружающую опору; причем яма глубже на тех сторонах опоры, по касательной к которым течет поток. Именно здесь жидкость ускоряется около опоры, увеличивая локальные напряжения сдвига. К тому же, на передней кромке опоры образуется вожоворот, увеличивающий яму. На задней кромке опоры в течении образуется застойная зона, здесь напряжения сдвига уменьшаются, и баланс между размывом и осаждением приводит к уменьшению чистой эрозии.

Течение через порог:

Для инженеров и исследователей представляют интерес потери энергии при прохождении порога потоком со свободной поверхностью. Приведенная ниже таблица содержит сравнение экспериментальных и расчетных данных для одного и того же сценария. Прекрасное согласование результатов подтверждает мощь VOF-метода (Volume-of-Fluid), используемого во FLOW-3D. Скорость счета впечатляет еще больше: численное моделирование заняло всего около 30 минут на PC.

Течение через слив:

"Слив может быть определен как сооружение поперек открытого канала, через которое будет переливаться поток. Сливы представляют собой один из самых старых и наиболее простых устройств для нормирования течения воды в каналах и канавах" Water Measurement Manual, U.S. Bureau of Reclamation, 1984.

На рисунке изображено течение через слив прямоугольной формы (окрашено по значению скорости вниз по потоку). Данный тип моделирования возможен благодаря используемому в FLOW-3D VOF-методу (volume-of-fluid).