摘要：采用κ-ε紊流模型，对沉沙池立面流厨行了数值模拟。在验证模型正确的基础上，以大禹渡沉沙池为例，分析了沉沙池中水流的运动规律，为进一步研究泥沙在沉沙池中的运动规律提供了前提，最终为沉沙池的工程设计和运用管理提供科学依据。
关键词：沉沙池 κ-ε模型 立面流场 大禹渡 1 前言 在多沙河流上修建引水工程，为了减少进入引水渠的泥沙，保证引水质量，往往需要在渠首设置沉沙池沉淀大部分泥沙，防止或减轻引水渠的淤积以及泥沙对水轮机、水泵等过流部件的磨损，防止粗颗粒泥沙进入农田，引起农田沙化。 对于沉沙池的研究，我国科研工作者自50年代以来通过物理模型试验进行了大量的研究工作[1～3]，在沉沙池的结构与形式方面取得了许多成果，但在沉沙池计算理论方面，国内目前大多数还是将沉沙池水流作为一维流或二维均匀流处理，计算泥沙沉降仍采用传统的准静水沉降法、非饱和输沙等经验、半经验公式。而国外自70年代开始就已将各种紊流模型应用到沉沙池计算当中，提出了许多数值方法来模拟沉沙池中的水流泥沙运动规律。国内在这方面的研究尚不多见，因此有必要应用紊流理论来研究沉沙池中的实际水流运动，为沉沙池的工程设计和运用管理提供科学依据和理论指导。2 数学模型2.1 基本控制方程 对沉沙池流场的研究，其最终目的是为了研究泥沙在沉沙池中的垂线分布和沿程淤积情况，在此基础上按照工程要求设计沉沙池的合理尺寸。因此可将沉沙池水流简化为立面二维水流进行研究，水流基本控制方程包括 连续性方程(1)4 模型应用 在验证模型正确的基础上，利用该模型对山西省芮城大禹渡矩形沉沙池立面流厨行模拟计算，得到该沉沙池中流速、紊动能及其耗散率的垂线分布和沿程变化规律[8]。4.1 概况 大禹渡沉沙池设在大禹渡电灌站的一级站和二级站之间，总长234m，设计水深5～9.7m，计算时取水深为7m，沉沙池末端设一长192m的溢流堰，概化后的大禹渡沉沙池剖面图如图3所示。4.2 计算成果分析 取沉沙池的首部、中部及尾部三个典型断面，分析各个断面的流速、紊动能及耗散率的垂线分布，从而揭示沉沙池水流的运动规律。 图4为各断面水流方向流速U的垂线分布。分析图4可以看出，在首部断面，沉沙池底部水流方向与池中水流方向相反，说明水流经闸门后断面突然扩大，在沉沙池首部产生局部回流，此处的水流紊动最为剧烈。至沉沙池中部，水流渐趋稳定，流速垂线分布与紊流流速分布规律相符合，即可以用对数律来表示沉沙池中\%U\%流速的垂线分布。图4 流速U垂线分布Vertical distribution of velocity U图5 流速V垂线分布Vertical distribution of velocity V图6 紊动能κ垂线分布Vertical distribution of turbulence energy κ图7 紊动耗散率ε垂线分布Vertical distribution of turbulent diffusivity ε