1.1 前言
在水利工程中，为了更有效的对引水、泄水进行控制，常修建水闸、堰等泄水建筑物。堰是指能够用来阻挡水流、壅高水位并使水流经其顶部下泄的泄水建筑物，堰的主要用途是控制水库和河渠水位、引水和宣泄洪水。水闸的主要作用也包括阻挡水流、壅高水位，与堰不同的是它可以使水流从闸门底缘与闸底板（或闸底坎）之间的孔口流出，因此可以更加灵活有效的对流量进行调节。故在许多引水渠渠首、溢洪道的进口、泄洪洞或输水洞进口或末端常会设置闸门用以控制调节流量。设置在曲线型实用堰上的闸孔出流多为自由出流，而其他几种情况则可能为自由出流，也可能为淹没出流。 对于闸孔出流中的淹没出流情况，水力计算主要涉及两个问题：一是闸孔淹没出流的判别标准，二是淹没系数s? 的确定。对于平底板上闸孔的淹没出流情况，目前已经有很成熟的、与实际情况吻合较好的淹没出流判别标准和很权威的淹没系数s? 的确定方法。但对于宽顶堰上的闸孔淹没出流，或闸后存在跌坎情况下的淹没出流情况，目前还没有比较完善的、能够与实际情况相吻合的淹没出流判别标准以及淹没系数s? 的确定方法。在涉及到闸后存在跌坎的情况下闸孔发生淹没出流的具体工程中，往往是在初步设计时，近似的按平底板上的闸孔淹没出流情况进行计算；对于一些大中型、或稍重要的工程，则需要通过模型试验的方法来实测具体的水闸过流流态数据[1]，据此再根据实验数据确定出淹没系数s? 或包含淹没系数 在内的综合流量系数。 在实际工程中，宽顶堰上的闸孔淹没出流或闸后存在跌坎情况下的闸孔淹没出流情况是非常普遍的。而关于闸后存在跌坎情况下的闸孔淹没出流尽管有许多有价值的国内外资料，但并没有统一的认识，有些概念也不够清晰。例如关于闸后存在跌坎情况下的闸孔淹没出流的判别问题，一直都没有明确的判别界限。目前，具体工程中关于宽顶堰上的闸孔淹没出流或闸后存在跌坎的闸孔淹没出流的试验结果只解决了具体工程的问题，并不具有通用性。因此，立题研究闸后存在跌坎情况下的闸孔淹没出流的判别标准以及淹没系数s? 的确定方法是一项非常有价值的研究，其结果不仅可以为以后的有关闸后存在跌坎情况下的闸孔淹没出流的工程项目提供理论依据，还可以完善和推动闸孔淹没出流水力计算理论的发展。
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1.2 闸后存在跌坎对水流特性影响问题的现有资料
作者在论文筹备、选题和计算过程中，阅读了大量的关于闸孔出流流态特点的文献和资料，现将具体文献分类进行综述。 文献[2]通过理论计算和模型试验方法得到了孔口出流与堰流之间的计算关系式，把堰流的计算方式推广到闸孔出流的计算方式上，但没有涉及到闸孔出流的淹没出流问题。 文献[3]提出了能解决闸孔出流和堰流、淹没出流和自由出流的笼统的计算模型，得出了统一的能解决每一种条件的流量计算公式，但并没有针对如何判别闸孔淹没出流问题进行分析。 文献[4]是从明渠水流和水跃的计算公式出发，通过理论分析得出闸孔出流断面的收缩系数 Cc对明流或淹没出流流量的影响，并总结出收缩系数 Cc对判别条件也有影响，但并没有对有闸后跌坎淹没出流情况下的淹没系数进行分析。 文献[5]使用保角变换法，通过理论分析得到不同的闸孔开度 a/b 和不同相对水头 H/a 情况下平板闸门水流下泄时的竖向收缩系数 ε 的计算公式，并分析总结出了与一些常见的几何参数相对应的水流的竖向收缩系数，但没有对淹没出流情况进行具体分析。
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第 2 章 闸后跌坎淹没出流问题的理论基础
在实际工程中经常应用的闸门主要有弧形闸门和平板闸门两种。闸孔出流是实际工程中常用的一种特殊的孔口出流形式，其出流规律类似于孔口出流。但与孔口出流不同的是，水流通过闸门位置后产生的收缩是部分收缩，此外，其流态影响因素和出流过程也具有自身独特的特征。
2.1 水平底板上闸孔出流的水力计算
图 2.1 为水平底板上由平板闸门控制的闸孔出流，图 2.2 为水平底上板上由弧形闸门控制的闸孔出流。上游水头记为 H，上游水流流速记为 v0，闸门开度记为 e，河道下游水深为 ht。当图 2.1 中所有水力参数都不随时间而变化时，平板闸门闸孔出流为恒定流。由于惯性作用，水流在流过闸门后在上游水头 H 的作用下，闸孔后的流线会继续收缩，约在闸孔下游(0.5~1)e 处形成一个水深最小的竖向收缩断面(图 2.1、2.2 中的 c-c 断面)。经过收缩断面后水流继续向下游流动，由于受到阻力作用，流动速度减小，动能也随之减小，水深又逐渐增大。当下游水深th 较大时，初始发生水跃位置位于收缩断面上游(如图 2.3c 所示)，此时为淹没水跃。此时由于收缩断面被水跃旋滚区淹没，闸门过流能力下降。下游水深th 越大，闸门过流能力越低。在这种情况下，下游水深th 的大小会影响闸门的过流能力，称为闸孔淹没出流。因此，闸后是否发生淹没水跃直接决定闸孔出流是否为淹没出流。
2.2 闸孔出流的流量计算公式
以平底板上的闸孔出流问题为例，应用连续性方程和能量方程对闸孔出流的流量计算公式进行推导,式（2.10）中影响流速系数? 的主要因素有过闸水流产生的局部水头损失和闸孔断面或收缩断面的流速不均匀分布。值的大小取决于闸门入口的边界条件，如闸门、闸底坎的形状和尺寸。式中垂直收缩系数2? 体现了水流经过闸门孔口时流线的垂向收缩程度，它主要受闸孔的相对开度 e / H 和闸门入口的边界条件影响[36]。 由此可知，闸孔出流的流量系数值主要受闸门、闸底坎的形状和尺寸以及闸孔的相对开度e / H 影响。
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第 3 章 闸后跌坎数值模拟理论基础 ........ 18
3.1 流体运动的控制方程 ........... 18
3.2 湍流流动模型 ............ 200
第 4 章 闸后跌坎水流流场的湍流数值模拟 .......... 24
4.1 初始条件和边界条件 ......... 24
4.1.1 数值模型的建立和计算方法的选择 .......... 24
4.1.2 流场的初始条件 ........... 25
4.1.3 流场的边界条件 ........... 26
4.2 流场模拟合理性分析 ......... 27
4.2.1 流场自由水面线图 ........... 27
4.2.2 流场速度矢量图 .... 28
4.2.3 断面流速分布图 ........... 30
4.3 跌坎对流态影响分析 ......... 30
第 5 章 模拟结果的验证 ............ 62
5.1 数值模拟结果与成熟的平底坎闸孔出流淹没系数的对比 ............ 62
5.2 数值模拟结果与实验结果对比 ........... 64
第 5 章 模拟结果的验证
5.1 数值模拟结果与成熟的平底坎闸孔出流淹没系数的对比
对于平底板闸孔淹没出流条件下的淹没系数，南京水科院通过大量实验得出的淹没系数曲线目前已得到了水力学界的普遍认可，并已经广泛应用到实际计算中，非常具有权威性。本小节应用数值模拟的方法计算南京水科院淹没系数曲线，通过对比模拟值和现有理论值的方式来判别数值模拟的正确性，以验证本论文数值模拟方法及模拟结果的可靠性。 模型长度设置为 5m，高度设置为 0.5m，闸孔开度 e=0.05m 的模型，网格大小为 0.005m2，共 77956 个网格。为保证闸门后下游水流状态稳定，闸门位置位于网格进口下游 2m 处，闸门厚度设置为 0.02m。设置压力为一个标准大气压，重力方向为 Y轴负方向。通过模型计算得出的平底板上的水流出流流态见图 5.1，相应条件下对应的水流速度分布见图 5.2。
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结论
本文应用数值模拟的计算方法，建立了带自由表面的湍流数学模型，并采用 VOF 方法对液体自由表面进行追踪。通过对闸后存在跌坎情况下的过闸水流流态进行计算，得出六十种工况下的淹没修正系数，并分别将计算所得值与得到广泛应用的经验值和实验所得值进行了对比，结果吻合良好。证明应用此湍流模型对自由表面进行追踪所得的数值模拟结果是合理可靠的。本文的主要结论有：数值模型介绍中对初始条件和边界条件进行了详细的分类，对计算域的边界，尤其是速度边界和自由面网格的压力都进行了较为详细的描述，实践证明物理条件是比较符合实际的。运用标准k?? 湍流数学模型，选择 VOF 方法追踪液体自由表面，采用气液两相流的计算模型，在二维基础上对闸孔淹没出流进行数值模拟。计算结果表明，得到的各种流态与理论上相应的流态基本一致，说明应用 FLUENT 软件对带有自由表面的湍流流场进行数值模拟计算所得的结果是可靠的。
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参考文献（略）
