VOF方法在水利水电工程的运用

【摘要】VOF方法在水利水电工程中，具有较好的应用效果，工作人员需要掌握其方法和原理，然后根据不同情况，分析其应用方法，压力场和速度场的分布中，工作人员要根据计算的压力场和速度场，对洪水下泄导致的灾害进行预测。微观管网系统中的微观井，也需要使用这种方法进行模拟，尤其充液过程，工作人员要掌握井的形状和液体张力，探知其对充液情况的影响。

【关键词】VOF;水利水电工程;流体

1VOF的方法及原理

在VOF方法的分析中，要通过网络单元中的流体和网络体积比函数F值，找出只有面，更好的明确流体的变化。工作人员在应用VOF方法中，并不是处理自由面，以及非线性现象，而是需要计算时间、存储量，但是F值的变化缺乏规律，并会受到人为因素的影响，很难把握。在VOF方法中，要重点掌握体积比函数，然后追踪自由面，如果F=1，那么说明这个单位完全被相流体占据；如果F=0，那么要在该单元并无制定流体；如果0<F<1，说明这个单元属于交界面单元。举例分析，如果流场中任意点为（x，y），定义函数为f（x，y，t），那么其关系如下：工作人员要掌握VOF方法，和其他几种常用VOF方法，找出其优缺点。在以往的研究中，要计算VOF的自由面标准，保证其准确，与实际相符。

2VOF方法在水利水电工程中的应用

在水利水电工程中，要采用粘性不可压缩流体，然后根据方程和质量守恒方程，对水流演进过程和长距离输水管理中的非定时气液两相水流现象进行计算[1]。通过这种方式能够，较好的完善计算流程，使用差分格式，更好的规范边界条件。

2.1事前准备

在VOF的计算中，要理解水流流场的规范，然后结合实验数据和计算结果进行综合分析。在压力场和速度场的分布中，工作人员要根据计算的压力场和速度场，对水利工程，洪水下泄导致的灾害进行预测。这种灾害在预测中，能够采取较好的方法进行改善。在长管道中，要了解气液两相流现象，工作人员要在设计固壁上的压力场和速度场，然后满足必要条件。结合不可滑移边界条件，要在自由面上，满足动力边界的条件，遵守质量守恒定律，更好的计算水流流入管道的速度场和压力场。

2.2计算过程

工作人员在比较水库压力后，要记录不同管道内水流和企业的交界面变化。如果气体多方指数增大，要在变小时，分析和记录气液交界面的变化，尤其是气体压力峰值的变化。在VOF使用中，要分析气体变化对自由面的影响，其形状和位置的变化[2]。通过我国学者提出的一维刚性水锤模型，主要是应用一维特征，对管道内部水流的冲击力进行计算。在数学模型中，工作人员要重点分析不同参数对气团峰值的影响，然后在界面的糙率和水流最大速度的情况下，比较计算结果和二维流场计算结果。如果计算结果比较相近，那么其表示二维计算的结果具有可信度。在实际应用中，VOF方法取得了较好的效果，这种计算结果具有较好的准确性。部分研究人员通过三维VOF模型，对水利工程中天然的河流水面线进行模拟，经过计算与分析，发现洪水产生的影响比较小，在实际测量中，很少出现误差。VOF方法在水利水电工程中，还能够影响核电站的热力管系统，主要是系统产生的蒸汽和冷水混流，工作人员对这个内容进行模拟，然后分析热力管系统蒸汽和冷水交汇的变化过程，这个过程最为明显的是热力管蒸汽泡溃灭将产生巨大的水锤压力。工作人员使用VOF方法，对工程中液体燃料箱的液体进行模拟，主要分析的阶段关机时段，然后通过这种模拟，得出这种方法在计算液体飞溅和破碎现象时的能力比较强。如果使用这种方法模拟，金属铸造的成型过程，然后能够改变浇铸系统浇口，这种方式还能够改变液体的温度应力，使液面更加稳定，诠释微观结构。

2.3自由面分析

在使用VOF方法中，要通过三维的方式，对水利水电工程的建筑物周围水流流态进行数值模拟，然后了解建筑物附近的海域波型。工作人员还应用这种方法对斜坡海岸上的波浪翻滚进行模拟，针对自由基的分析，选用N-S双方程耦合求解，通过这种方式对自由面单元中的压力进行改进，提升速度插值。微观管网系统中的微观井，也能使用这种方法进行模拟，主要是充液过程，工作人员要掌握井的形状和液体张力，探知其对充液情况的影响。

3VOF方法在水利水电工程中的发展方向

随着我国针对西部水电的开发工作，输水管线的长度越来越长，其布置方式也比较复杂。如果系统出现长时间停机现象，会造成管道中存有大量的气体，而在短时间内无法顺利排出。工作人员在起动机组后，发现系统产生了较大的压力，这种压力要大于水锤的压力。在大量的水电站输水系统比选方案中，工作人员要了解新的布置方法。如果输水系统出现较好的水力变化，如循环流动和明满交替等。在这种情况下，可以选用结构网络进行数值模拟，这样得到的结果更加符合实际。在城市的不断的发展中，建筑项目不断增加，城市中的供水系统更加复杂，如果地面出现积水，或排水系统中存有气体，无法顺利排出，都会导致地下系统气、液交界面的存在变得复杂化，甚至会对地下排水系统的安全构成威胁。所以在水利水电工程中，要结合实际情况进行分析，然后解决梳理瞬变问题。VOF是一种处理自由面边界条件的重要方式，能够在未来的城市发展中，发挥巨大的作用。

4结语

在水利水电工程中，工作人员要掌握VOF方法的应用方法，然后经过计算与分析，掌握洪水产生的影响。在实际测量中，这种方法的使用，很少出现误差。VOF方法在水利水电工程中，还能够影响核电站的热力管系统，主要是系统产生的蒸汽和冷水混流，工作人员对这个内容进行模拟，然后分析热力管系统蒸汽和冷水交汇的变化过程，这个过程最为明显的是热力管蒸汽泡溃灭将产生巨大的水锤压力。VOF是一种处理自由面边界条件的重要方式，能够在未来的城市发展中，能够改善管道的使用情况。工作人员在大量的水电站输水系统比选方案中，工作人员要了解新的布置方法。如果输水系统出现较好的水力变化，如循环流动和明满交替等。在这种情况下，可以选用结构网络进行数值模拟，这样得到的结果更加符合实际。

作者:马力 单位:长春市水资源管理中心

参考文献：

[1]任冰,李雪艳,王国玉,王永学.基于贴体网格的VOF方法数模流场研究[J].计算力学学报,2011,06:872~878.

[2]王言金,冯其京,张树道.一类LevelSet和VOF的耦合界面捕捉方法[J].水动力学研究与进展A辑,2011,02:201~208.