用于CFD模拟理想化与非理想化宏观粗糙床面上淹没式水力跃特征的无量纲宏观粗糙度形状参数

《PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES INDIA SECTION A-PHYSICAL SCIENCES》：A Dimensionless Macroroughness Shape Parameter for Predicting Submerged Hydraulic Jump Characteristics Over Idealized and Non-idealized Macrorough Beds Using CFD

　　摘要河床大粗糙度的设置会显著改变淹没式水跃的水力性能。早期研究主要关注理想化形状粗糙度，而更能代表实际工程需求的非理想化形状粗糙度则较少受到关注。本研究考察了六种大粗糙度构型，涵盖理想化与非理想化粗糙度形状，进水弗劳德数（Fr?）范围为3.5–8.1，并提出了一种无量纲大粗糙度形状参数（Ψ），该参数综合了几何紧凑性和空腔诱导再循环潜力，用于表征条带型大粗糙度。研究在ANSYS Fluent中开发了二维计算流体力学（CFD）模型，采用流体体积法（VOF）耦合RNG k-ε湍流模型。该模型通过纵向流速、尾水深度比和相对卷滚长度的实验室测量数据进行了验证。CFD模型与实验结果吻合良好，速度剖面的决定系数（R2）为0.876–0.993，尾水深度比和相对卷滚长度的R2为0.996–0.998。尾水深度比和相对卷滚长度的平均绝对百分比误差（MAPE）分别为1.72%和1.56–1.73%。所提出的参数（Ψ）范围为2.86至10.54，对应所研究的几何复杂性和空腔诱导再循环潜力的范围。研究结果表明在Ψ ≈ 5.71附近存在一个明显的过渡点，超过该值后，在所研究的范围内，尾水深度比和相对卷滚长度的减小趋于边际化。这些结果表明Ψ提供了一种实用的、具有物理可解释性的几何描述符，用于评估和比较理想化与非理想化的大粗糙度构型，从而为水力设计与优化提供了有用的基础。该参数还可能促进在所研究的条带型大粗糙度构型范围内开发淹没式水跃的通用预测模型。