VOF方法在水利水電工程的運(yùn)用

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【摘要】vof方法在水利水電工程中，具有較好的應(yīng)用效果，工作人員需要掌握其方法和原理，然后根據(jù)不同情況，分析其應(yīng)用方法，壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布中，工作人員要根據(jù)計(jì)算的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，對(duì)洪水下泄導(dǎo)致的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。微觀管網(wǎng)系統(tǒng)中的微觀井，也需要使用這種方法進(jìn)行模擬，尤其充液過(guò)程，工作人員要掌握井的形狀和液體張力，探知其對(duì)充液情況的影響。

【關(guān)鍵詞】VOF;水利水電工程;流體

1VOF的方法及原理

在VOF方法的分析中，要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)單元中的流體和網(wǎng)絡(luò)體積比函數(shù)F值，找出只有面，更好的明確流體的變化。工作人員在應(yīng)用VOF方法中，并不是處理自由面，以及非線性現(xiàn)象，而是需要計(jì)算時(shí)間、存儲(chǔ)量，但是F值的變化缺乏規(guī)律，并會(huì)受到人為因素的影響，很難把握。在VOF方法中，要重點(diǎn)掌握體積比函數(shù)，然后追蹤自由面，如果F=1，那么說(shuō)明這個(gè)單位完全被相流體占據(jù)；如果F=0，那么要在該單元并無(wú)制定流體；如果0<F<1，說(shuō)明這個(gè)單元屬于交界面單元。舉例分析，如果流場(chǎng)中任意點(diǎn)為（x，y），定義函數(shù)為f（x，y，t），那么其關(guān)系如下：工作人員要掌握VOF方法，和其他幾種常用VOF方法，找出其優(yōu)缺點(diǎn)。在以往的研究中，要計(jì)算VOF的自由面標(biāo)準(zhǔn)，保證其準(zhǔn)確，與實(shí)際相符。

2VOF方法在水利水電工程中的應(yīng)用

在水利水電工程中，要采用粘性不可壓縮流體，然后根據(jù)方程和質(zhì)量守恒方程，對(duì)水流演進(jìn)過(guò)程和長(zhǎng)距離輸水管理中的非定時(shí)氣液兩相水流現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算[1]。通過(guò)這種方式能夠，較好的完善計(jì)算流程，使用差分格式，更好的規(guī)范邊界條件。

2.1事前準(zhǔn)備

在VOF的計(jì)算中，要理解水流流場(chǎng)的規(guī)范，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析。在壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布中，工作人員要根據(jù)計(jì)算的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，對(duì)水利工程，洪水下泄導(dǎo)致的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。這種災(zāi)害在預(yù)測(cè)中，能夠采取較好的方法進(jìn)行改善。在長(zhǎng)管道中，要了解氣液兩相流現(xiàn)象，工作人員要在設(shè)計(jì)固壁上的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，然后滿足必要條件。結(jié)合不可滑移邊界條件，要在自由面上，滿足動(dòng)力邊界的條件，遵守質(zhì)量守恒定律，更好的計(jì)算水流流入管道的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。

2.2計(jì)算過(guò)程

工作人員在比較水庫(kù)壓力后，要記錄不同管道內(nèi)水流和企業(yè)的交界面變化。如果氣體多方指數(shù)增大，要在變小時(shí)，分析和記錄氣液交界面的變化，尤其是氣體壓力峰值的變化。在VOF使用中，要分析氣體變化對(duì)自由面的影響，其形狀和位置的變化[2]。通過(guò)我國(guó)學(xué)者提出的一維剛性水錘模型，主要是應(yīng)用一維特征，對(duì)管道內(nèi)部水流的沖擊力進(jìn)行計(jì)算。在數(shù)學(xué)模型中，工作人員要重點(diǎn)分析不同參數(shù)對(duì)氣團(tuán)峰值的影響，然后在界面的糙率和水流最大速度的情況下，比較計(jì)算結(jié)果和二維流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。如果計(jì)算結(jié)果比較相近，那么其表示二維計(jì)算的結(jié)果具有可信度。在實(shí)際應(yīng)用中，VOF方法取得了較好的效果，這種計(jì)算結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性。部分研究人員通過(guò)三維VOF模型，對(duì)水利工程中天然的河流水面線進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析，發(fā)現(xiàn)洪水產(chǎn)生的影響比較小，在實(shí)際測(cè)量中，很少出現(xiàn)誤差。VOF方法在水利水電工程中，還能夠影響核電站的熱力管系統(tǒng)，主要是系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽和冷水混流，工作人員對(duì)這個(gè)內(nèi)容進(jìn)行模擬，然后分析熱力管系統(tǒng)蒸汽和冷水交匯的變化過(guò)程，這個(gè)過(guò)程最為明顯的是熱力管蒸汽泡潰滅將產(chǎn)生巨大的水錘壓力。工作人員使用VOF方法，對(duì)工程中液體燃料箱的液體進(jìn)行模擬，主要分析的階段關(guān)機(jī)時(shí)段，然后通過(guò)這種模擬，得出這種方法在計(jì)算液體飛濺和破碎現(xiàn)象時(shí)的能力比較強(qiáng)。如果使用這種方法模擬，金屬鑄造的成型過(guò)程，然后能夠改變澆鑄系統(tǒng)澆口，這種方式還能夠改變液體的溫度應(yīng)力，使液面更加穩(wěn)定，詮釋微觀結(jié)構(gòu)。

2.3自由面分析

在使用VOF方法中，要通過(guò)三維的方式，對(duì)水利水電工程的建筑物周圍水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，然后了解建筑物附近的海域波型。工作人員還應(yīng)用這種方法對(duì)斜坡海岸上的波浪翻滾進(jìn)行模擬，針對(duì)自由基的分析，選用N-S雙方程耦合求解，通過(guò)這種方式對(duì)自由面單元中的壓力進(jìn)行改進(jìn)，提升速度插值。微觀管網(wǎng)系統(tǒng)中的微觀井，也能使用這種方法進(jìn)行模擬，主要是充液過(guò)程，工作人員要掌握井的形狀和液體張力，探知其對(duì)充液情況的影響。

3VOF方法在水利水電工程中的發(fā)展方向

隨著我國(guó)針對(duì)西部水電的開(kāi)發(fā)工作，輸水管線的長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，其布置方式也比較復(fù)雜。如果系統(tǒng)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)現(xiàn)象，會(huì)造成管道中存有大量的氣體，而在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法順利排出。工作人員在起動(dòng)機(jī)組后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的壓力，這種壓力要大于水錘的壓力。在大量的水電站輸水系統(tǒng)比選方案中，工作人員要了解新的布置方法。如果輸水系統(tǒng)出現(xiàn)較好的水力變化，如循環(huán)流動(dòng)和明滿交替等。在這種情況下，可以選用結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)值模擬，這樣得到的結(jié)果更加符合實(shí)際。在城市的不斷的發(fā)展中，建筑項(xiàng)目不斷增加，城市中的供水系統(tǒng)更加復(fù)雜，如果地面出現(xiàn)積水，或排水系統(tǒng)中存有氣體，無(wú)法順利排出，都會(huì)導(dǎo)致地下系統(tǒng)氣、液交界面的存在變得復(fù)雜化，甚至?xí)?duì)地下排水系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅。所以在水利水電工程中，要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，然后解決梳理瞬變問(wèn)題。VOF是一種處理自由面邊界條件的重要方式，能夠在未來(lái)的城市發(fā)展中，發(fā)揮巨大的作用。

4結(jié)語(yǔ)

在水利水電工程中，工作人員要掌握VOF方法的應(yīng)用方法，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析，掌握洪水產(chǎn)生的影響。在實(shí)際測(cè)量中，這種方法的使用，很少出現(xiàn)誤差。VOF方法在水利水電工程中，還能夠影響核電站的熱力管系統(tǒng)，主要是系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽和冷水混流，工作人員對(duì)這個(gè)內(nèi)容進(jìn)行模擬，然后分析熱力管系統(tǒng)蒸汽和冷水交匯的變化過(guò)程，這個(gè)過(guò)程最為明顯的是熱力管蒸汽泡潰滅將產(chǎn)生巨大的水錘壓力。VOF是一種處理自由面邊界條件的重要方式，能夠在未來(lái)的城市發(fā)展中，能夠改善管道的使用情況。工作人員在大量的水電站輸水系統(tǒng)比選方案中，工作人員要了解新的布置方法。如果輸水系統(tǒng)出現(xiàn)較好的水力變化，如循環(huán)流動(dòng)和明滿交替等。在這種情況下，可以選用結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)值模擬，這樣得到的結(jié)果更加符合實(shí)際。

作者:馬力 單位:長(zhǎng)春市水資源管理中心

參考文獻(xiàn)：

[1]任冰,李雪艷,王國(guó)玉,王永學(xué).基于貼體網(wǎng)格的VOF方法數(shù)模流場(chǎng)研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2011,06:872~878.

[2]王言金,馮其京,張樹(shù)道.一類LevelSet和VOF的耦合界面捕捉方法[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2011,02:201~208.