渠道冰凌下潜的数值模拟研究

冰凌下潜是冰塞形成和发展的基础,控制冰凌的下潜对于保证输水工程的安全和输水能力有重要的意义。本文采用VOF方法追踪自由水面,结合RNGk-ε紊流模型,对浮冰块底面水压差分布进行了数值模拟。通过与Dow Ambtmand的物理模型试验数据的对比,验证了该数值模拟方法的合理性和可靠性。基于冰块底面的水压差分布特征,分析冰块的下潜力矩Mu,研究冰凌下潜的临界条件。发现冰块下潜的临界条件涉及到冰块前缘形状和由冰块厚度(δ)、长度(L)与冰块上游水深(H)构成的特征几何尺寸(δ/H、δ/L):同条件下前缘矩形断面冰块较前缘圆形断面冰块易下潜;δ/L一定时,δ/H越大,冰凌下潜临界冰厚弗劳德数Ftcr越小,临界水流弗劳德数Frcr越大;δ/H一定时,δ/L越大,则Ftcr和Frcr均越小。根据数值模拟和力矩平衡分析的研究结果,提出了天然冰凌下潜的判断准则。