ANSYS CFD软件在水生态环境领域的应用

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　　1CFD软件在水生态环境项目中的必要性分析


　　水利工程可控制水流，防止洪涝灾害，并进行水量的调节和分配，达到兴利除害的目的，已在防洪、除涝、灌溉、发电、供水等领域发挥了重要作用，但水利工程的兴建也深刻改变着自然河流的水文节律，带来一系列生态环境问题，特别是近年来一些高坝大库的新建，造成大范围河道水体流动变缓，坝前泥沙淤积，在特定的季节有可能形成库区水温分层和水质分层，水体水质恶化，河流纳污和自净能力下降，在营养盐比较丰富时，还易引起藻类等水生植物的爆发性生长，并在库弯支流形成“水华”现象。在大坝下游，下泄流量从季节性变化转变为由人工调节的无规律性变化，洪峰流量削减，下游河床冲刷，自然河漫滩消失或改变，江湖格局调整，局部小气候改变，造成大量珍稀野生鱼类正常产卵洄游路线被截断，产卵场底质结构改变，产卵场面积锐减，受精卵密度增大，胚胎死亡率升高，种群遗传多样性降低，生物群落的变异，生境破碎化并濒临灭绝。另外，下泄过饱和气体可导致鱼类气泡病，可直接造成鱼类死亡;水库低温水下泄导致鱼不进食，新陈代谢减缓，产卵场可能消失，鱼产量降低;水库低温水下泄还可能给下游农业灌溉带来不利影响。

　　目前，我国水电建设速度和规模正处于高速发展期，维护河流健康，缓解或消除因水利工程带来的生态环境不利影响是一项非常重要而紧迫的任务。但由于水利工程本身带来的水生态环境问题的复杂性，相关研究往往需要跨越水力学、环境科学、生态学、生物学、水文学等多个学科，在指导水利水电工程设计和运行过程中，仍然面临着众多技术瓶颈，特别是耦合了水动力学与水环境、水生态系统之间相互作用的环境与生态水力学问题，在水利开发和保护中扮演了重要的角色，相关问题的解决可直接服务于工程实际，但由于学科发展还处于起步阶段，相关研究成果往往滞后于实际工程的需要。因此，环境和生态水力学研究近些年越来越受到重视。目前，数值模拟、原型观测、物理模型和理论分析等是研究该类问题的主要手段，但原型观测费时费力，且覆盖范围有限，难以全面把握全场信息;理论分析局限于一些理想的经典解，难以有效指导工程实际;物理模型可在一定程度上对其进行准确预报，但环境与生态水力学模型相似率较难把握，甚至无法复演。此外，物理模型费用昂贵，需要大量人力、物力和财力的投入。相对而言，数学模型具有成本低、方案变化快、无测量仪器干扰、无比尺效应和数据信息完整等优势，通过计算机虚拟化的模拟，可全面掌握环境与生态水力学全场信息，实时展示物质浓度的时空分布，在项目实施前就能仿真观测到实际的工程效果，或者能在实施后，虚拟演化出河湖及库区后续的水质环境，并能方便修改设计参数进行多设计方案对比优化，大大提高设计效率，优化设计方案，降低工程设计风险。因此，环境与生态水力学模拟技术的发展愈来愈引起重视。

　　ANSYS FLUENT流体动力学分析软件是在众多CFD商业软件中模型最成熟、功能最全面、应用范围最广的软件，在水利水电行业中有着较高的认可度。通过引进该技术，并加以消化吸收，可为水利水电工程中特定的环境与生态水力学问题提供强大的流体数值模拟功能，以优化水库调度，改善和恢复河流水环境，确保供水安全，促进工农业生产的平稳发展，具有明显的社会效益、经济效益和环境效益，具有极强的推广价值和良好的应用前景。

　　2ANSYS CFD解决水生态环境中的关键问题

　　(1)自行编制一维河网程序或者二维浅水流程序，模拟河道水位变化过程，并通过ANSYS FLUENT流体动力学分析软件边界条件自定义扩展功能加载到模型指定三维水面边界上，实现大范围河道快速、准确模拟功能。
　　(2)通过自定义扩展功能，加载泥沙模型，包括泥沙输送方程、河床变形模型以及相应的各类边界条件等;加载各种水质参数模型，包括溶解氧、COD、氨氮、总磷以及突发性水污染事故特定的水质参数等，导入各模型参数间的耦合关系，并率定相关模型参数。实现大范围河道水沙模拟、水质模拟、突发性水污染事故模拟。
　　(3)通过自定义扩展功能，导入经实测资料率定的紊动施密特数等关键性参数，实现大时空尺度下的水库温分层流准确预报，包括库区水流水温分布结构、温跃层范围以及界面波等;实现电站水温分层取水全程精准模拟，包括从库区、分层取水口、电站流道、水轮发电机直至出口，高效捕捉分层取水局部流场、温度场以及水头损失等相关信息。
　　(4)通过自定义扩展功能，加载大坝泄流气体过饱和经验性模型，包括掺气浓度计算方程、溶解气体(TDG)浓度方程，载入气泡界面传质系数、水气自由界面传质系数、气泡内气体的有效饱和溶解度、气体在气泡界面的传质、水体掺气浓度、气泡直径等相关经验公式或参数，还可加载河道溶解气体计算模型，实现大坝泄流气体过饱和全程模拟功能。
　　(5)鱼道和珍稀鱼类生态流场模拟。模仿珍稀鱼类的运动姿态，自定义设定动态鱼身边界，进行流固耦合模拟。


　　3FLUENT水利水电行业客户应用情况简介(部分客户)

　　1中国水利水电科学研究院南院
　　“十五”以来，该院承担的“948”项目涉及水文水资源、水环境、水工结构、水工材料、农田水利、水土保持、节水灌溉、河流泥沙、防洪减灾、水力发电等多个研究领域。依托项目引进国外先进仪器设备及高端仿真分析软件，有效地改善了院科研条件平台，培养了科研人才队伍，研究取得了良好的社会经济效益。
　　学院引进了目前国际上功能最全面的三维粘性流动分析软件FLUENT，用于分析计算水工建筑物复杂过流的流动特性。中国水利水电科学院张宏伟利用FLUENT软件对具有自由表面的泄洪洞反弧连接段进行了三维数值模拟。详细研究了反弧段速度、压力、壁面剪应力的变化规律及水流的空化特性，分析了不同反弧半径和反弧圆心角对反弧段及其下游水力特性的影响，研究结果对体型优化有很强的指导作用。

　　2南京水利科学研究院水工水利研究所
　　南京水利科学研究院的吴时强利用FLUENT计算流体力学软件，研究了台阶突扩流动的三维特性。不同的雷诺数Re情况下，计算所得到的流态、流速和压力分布与B.F.Amarly等的试验和计算结果相吻合。

　　3江苏省水利科学研究院
　　通过配置国际先进的FLUENT计算流体力学软件，可广泛应用于一般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非牛顿流流场、热传、化学反应等等，特别适合复杂的泵站流体模拟。

　　4四川大学水电学院
　　陈群等采用雷诺应力紊流模型，对阶梯溢流坝流场进行了三维紊流数值模拟，模拟明显可见阶梯上出现的顺时针旋涡，并得到了试验验证。正是阶梯上这些旋涡的出现使阶梯溢流面有较好的消能效果。由于利用阶梯坝面消能可以显著减小下游消能工的工程量，获得巨大的经济效益，人们对它也越来越重视。
　　通过数值模拟，还得到了溢流坝沿程的自由水面位置、速度大小和分布规律以及阶梯面上的压力大小和分布等重要流场特性，都与实测结果吻合较好。数值模拟得到的紊动能和紊动耗散率分布可以看出阶梯坝面上水流的紊动特性和能量转换。

　　5天津大学
　　天津大学的水利水电工程学院的艾海峰利用FLUENT软件，采用VOF方法和标准的K-E模型相耦合，模拟了保水堰附近的水流流场，并绘制出损失系数随堰上水头变化的关系曲线;计算得到了保水堰附近的水流流态和流速分布情况，以及旋涡的分布范围和大小，对保水堰堰型提出了修改意见;追踪了保水堰井内自由水面的变化情况，成功地解决了二相流中水气分界面的问题。

　　6河海大学
　　河海大学环境科学与工程学院的韩龙喜采用FLUENT软件建立了加长环形水槽的三维水动力学紊流模型，对模型水力参数进行了测定，对加长环形水槽内的水流进行了数值模拟，量测结果与模型预测结果之间较为吻合，在试验及观测的基础上对水流现象进行了分析。据此建立的数学模型可用以预测不同边界条件下的水槽各种水动力特性，并可以进一步为泥沙倾蚀及其它扩散质的输运提供水动力学依据。

　　7武汉大学
　　武汉大学水利水电学院的韩宁对特定型号的射流泵进行了内部流场的数值模拟研究，并与实验数据进行了比较，验证了应用FLUENT软件进行数值模拟的可行性和可靠性。

　　射流泵在国民经济的诸多部门有着广泛的应用，但目前的研究方法主要采用一元流和准二维理论及轴对称假设，对其内部流动的研究尚不充分。韩宁考虑了射流泵的三维几何形状和结构尺寸对其性能的影响，运用三维模拟技术对其整体性能进行计算，取得令人满意的结果。


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