基于混相模型的明渠高含沙流动底部边界条件适用性比较

作者：李嘉兴; 翁忠华; 陈鑫^*

来源：农业工程学报, 2022, 38(12): 92-99.

• 泥沙
• 紊流
• 两相流
• 计算模型
• 边界条件

由于高浓度悬浮泥沙会显著改变明渠底部的流动特征，明渠高含沙流动的数值模拟需要考虑泥沙对底部边界条件的影响。该研究基于水沙混相模型研究了不同底部边界条件对明渠高含沙流动数值模拟的影响，引入5种底部边界条件，包括给定流速的第一类边界条件、给定流速梯度的第二类边界条件、标准壁函数以及两种分别改进紊动能和紊动能耗散率的第二类边界条件，并研究了各底部边界条件对流速、紊动能、涡粘系数和泥沙浓度的计算结果的影响。结果表明，在多种含沙条件下采用第一类边界条件、标准壁函数和改进紊动能的第二类边界条件的计算结果能保持较高的准确性，流速和泥沙浓度的平均相对误差分别小于5%和10%；第二类边界条件和改进紊动能耗散率的第二类边界条件仅适用于低含沙条件，在高含沙条件下会造成较大的计算误差；第一类边界条件和改进紊动能的第二类边界条件需要根据试验数据校正模型系数，由于工程流动较为复杂，通常难以提供全面的试验数据用于系数校正，因此它们在工程计算中应用范围有限；标准壁函数无须校正系数并自动调整底部边界的流速和紊动能，能够适应多种含沙条件，适用于引黄灌溉工程中渠道输水、泵站淤积等问题的数值研究。

• 单位
  中国农业大学; 土木工程学院; 珠江水利委员会珠江水利科学研究院