基于FLUENT的水跃现象模拟

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1 前言

    从水闸或溢流坝下泄的急流受到下游渠道缓流的顶托便会发生水跃现象，水流高度会发生局部突然上升。水跃消能技术，是将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除动能的消能方式。生活中，也可以很容易看到水跃现象，如下图的水龙头放水。今天，我们用FLUENT做一个二维的水跃模拟。

2 建模与网格

    建立如下的二维轴对称模型，注意对称轴位于x轴，水龙头的高度400mm，直径Φ10mm，划分四边形网格，节点数4万。

3 求解设置

    水跃现象的模拟涉及到液面的捕捉，因此采用VOF两相流模型更为合适，我们设定空气为主相，水为次相。

    采用默认的SST k-ω湍流模型。

    瞬态求解，开启重力项，由于对称轴为x轴，对应实际的重力方向。

    设置水龙头入口为速度边界，水流速度10m/s，次相的体积分数为1。

    顶部设置为压力入口，体积成分为100%空气，注意这个位置如果设置为压力出口，由于水流出的面和压力边界刚好在一个面上，计算难以收敛。如果将出水位置往下伸长，即考虑一段管道壁面，则采用压力出口也可以收敛。

    侧面设置为压力出口，回流的次相体积分数为0，表示外部为空气。

    按如下值进行初始化，此时速度场静止，全部为空气。

    瞬态计算，时间步长取0.0001s。

4 计算结果

    我们看一下某个时刻的液态水体积分数（视图有旋转），水流撞击到地面后向四周散开，形成很薄的液膜，在往后某个位置的液位发生突然上升，形成水跃。

    再看一下速度分布，在液位低的地方水流速度大，液位高的地方水流速度小，这也是水跃的形成原因。

    最后我们看一下水跃形成过程的动画。