三维CFD模型结合物理模拟揭示复合堰流尺度效应：从堰顶到消能结构的全流程分析

针对复合堰流(ogee与sharp-crested weir组合)尺度效应研究不足的问题，研究人员通过1:33.33物理模型与FLOW-3D三维RANS模型，首次系统分析了H/P>0.4、Re>26 959、We>240的临界条件，证实了消力池中Re>4×104 可抑制粘性尺度效应，为水工建筑物设计提供了重要理论依据。

　　

在人口增长与经济发展驱动下，全球水资源与能源需求激增，大坝工程成为保障水安全的关键设施。然而传统物理模型依赖弗劳德相似准则(Froude similarity)，往往忽视表面张力、粘滞力等次要力系，导致模型与原型间存在显著的尺度效应(scale effects)。尤其对于复合堰体——如溢流堰(ogee weir)与平板闸门(sharp-crested weir)的组合结构，现有研究多聚焦单一堰型，其下游流态与消能特性的尺度效应仍属空白。这一认知缺口可能造成工程设计中流量系数预测偏差、消能设施效能不足等风险。

针对这一挑战，某水利工程研究机构通过物理模型与计算流体动力学(CFD)的协同研究，以印尼Sikabau堰为原型，构建1:33.3缩尺模型，采用FLOW-3D软件建立三维RANS(雷诺平均纳维-斯托克斯)模型，选用RNG k-ε湍流模型和VOF(流体体积法)捕捉自由液面。研究创新性地将两扇常闭闸门等效为锐顶堰，系统考察了堰顶上游流量系数与下游消力池流态的尺度效应。

关键技术包括：1) 基于弗劳德相似的物理模型试验，采用V型堰标定流量，点规与数字流速仪测量参数；2) CFD建模采用GCI(网格收敛指数)验证网格精度，设定y⁺
值30-300以处理近壁流动；3) 引入连续表面力模型(CSF)量化表面张力效应；4) 通过等效流量系数C_d
'=0.94+33.02/(Re^0.2
We^0.6
)建立尺度效应评估体系。

3.1 数值与物理模型验证
对比实验数据发现，模型尺度CFD模拟水深误差<4%，流速误差<6%，而原型尺度误差分别达10%和32%，证实尺度效应存在。堰前流态显示，当H/P<0.4时，表面张力导致原型流量系数低估17%，而H/P>0.4时误差降至3%。

3.2 流量-水头曲线的尺度效应
等效系数C_d
'在H/P>0.4时表现与锐顶堰一致，此时Re>26 959、We>240、Re^0.2
We^0.6

350，对应堰顶水深>0.042m。该阈值与Saneie等提出的ogee堰临界条件(Re>31 000, We>270)高度吻合，但低于Erpicum等对钢琴键堰We>540的要求。

3.3 结构沿程流动的尺度效应
3.3.1 表面流速与流线
100年洪水工况下，原型闸门下游流速较模型高32%，流线显示此处产生三维涡旋。弗劳德相似无法复现此类粘性主导的二次流，导致能量耗散预测偏差。

3.3.2 溢洪道流速剖面
H/P=0.8时，原型消力池底部流速较模型高40%，而中层涡旋强度低15%。涡旋尺度差异表明，模型可能低估原型中闸门侧墙的流动分离效应。

3.3.3 消力池与消能墩
Re>4×10⁴
时，原型与模型的弗劳德数比Fr_P
/Fr_M
趋近1.0，误差<10%。这与Wang和Chanson关于水力跳跃的研究结论一致，证实该雷诺数可有效控制粘性尺度效应。

研究结论揭示了三重创新价值：首先，首次建立复合堰系统尺度效应的完整判据体系，提出H/P>0.4与Re^0.2
We^0.6

350的双重控制标准；其次，发现消力池区域Re>4×10⁴
可使弗劳德数误差<4%，为消能工设计提供量化依据；最后，验证了CFD在识别尺度效应中的可靠性，Zulfan和Ginting关于低流量区尺度效应显著的观察在此得到机理阐释。该成果发表于《Water Science and Engineering》，对高精度水工模型试验具有范式指导意义，尤其为"一带一路"沿线国家的中小型堰坝设计提供了技术支撑。