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【摘 要】我国山区水资源十分丰富，但是由于地形地势都比较复杂，所以山区水资源的开发难度比较大。大多数情况下，山区河流主要是作为航道使用，为了能够保证航道顺利畅通，很多学者都对山区河流的流速分布等进行了深入的研究。本文首先对山区河流航道工程与VOF方法等进行了介绍，其次对VOF方法应用条件进行了阐释，最后对VOF方法在山区河流航道工程中的应用进行了探讨，希望能够为山区河流航道的开发利用提供借鉴。
【关键词】VOF方法；山区河流；航道工程；应用
流体体积函数，英文缩写为VOF。VOF方法主要的作用是对运动界面进行准确的追踪，属于欧拉模型中的一种。但是实际上，VOF方法应用在山区河流航道中实践并不多，因为应用过程中，工作人员需要解决很多问题，同时整体的网络结构十分复杂，而且计算速度也比较慢。
一、山区河流航道工程与VOF方法
山区河流与平原河流相比，地形十分复杂，而且河道横剖面以及纵剖面都非常不规则，某些区域存在着浅滩，某些区域又存在着深潭等，这些局部性的变化，给航道工程开发带来极大的困难。另外，山区河流绝大多数情况下都是通航河道，为了能够确保通航顺畅，相关部门会对其进行渠化整治，但是整治之后，会出现各种复杂构建物。这使得通航河道水面难以呈现出自由的态势，流速场也大受影响。为此，山区河流通常呈现出河流水位变化大、流苏比较急的特点，而且通常是急弯与浅险同时存在，不仅存在着跌水、恶浪，还存在着槽流等水流现象，这使得航道尺寸出现了明显不足的情况，而且流态条件沙十分恶劣，这使得船舶安全大受影响。对此，许多专家学者都致力于研究山区河道的通航工程，尤其是对不同地形条件下，对河流流速分布以及河流自由水面的变化展开了全面的研究。
现如今专家学者主要是选择使用欧拉模型来计算三维自由水面以及相对应的流速场。而欧拉模式中，主要有两种方法，一种是MAC法，另一种是VOF法。MAC法如果应用在非均匀流场，会出现失真的情况，而VOF法则不会出现。VOF法能够进行计算仿真的准确计算，因此机械水利、化学等多领域得以应用。但是需要承认的是。此种方法应用在山区河流航道工程的实践并不多，这是由于山区河流边界几何比较复杂，因此流态也十分复杂，比如弯道水流，不仅仅存在着横比降水流，还存在着弯道分离流等情况，如果对其采用VOF法，不不仅整体网络数量非常庞大，而且还十分复杂，这对收敛性以及计算求解的速度将会造成比较大影响，所以到目前位置，VOF法只是在山区河流航道工程中，进行尝试性的应用。
二、VOF方法应用的条件
入口边界：进口边界划分为水流速度进口和空气速度进口，并给出初始进口速度u、κ和ε，其中κ和ε由经验公式κ=0.00375u2和ε=k1.5/（0.42H0）给出，H0为进口水深。出口边界：出口边界划分为压力出口和质量出口，初始κ和ε也由经验公式κ=0.00375u2和ε=k1.5/（0.42H0）给出，u和H0为出口初始流速和水深，并假定出口断面为充分发展的紊流运动，所有标量（如κ和ε）的法向梯度为零，流速法向分量的梯度也为零。固壁边界条件：壁面采用无滑移边界条件，采用壁面函数法处理壁面边界。自由表面：采用VOF方法处理。
三、VOF方法在山区河流航道工程中的应用
1.矩形弯道计算
该算例取自休克莱系列弯道试验一组，入流流量为0.072m3/s。计算中采用非均匀结构化网格，网格数为60×18×10，最大网格尺寸0.45m，最小网格尺寸为0.012m，计算总共耗时5h。图1为弯道水面线验证情况，等值线为计算水面线，可见实测点与计算等值线基本吻合，计算反映了弯道水面形态变化特性，验证精度较好。入口处水面有些许起伏，是由于入口处水位和流速分布给定不一致所产生的误差。工作人员要绘制出靠近凹凸岸计算区域流线图，表层水流下潜，底层水流后翻，反应了弯道水流流动形态的特征，另外，还需要计算显示弯道凸岸处流速最大，水流绕过弯道后靠近凹岸一侧流速较小。
2、某滩险河段计算
某地区为了能够充分的利用当地水资源，大力发展航运，使得当地山区河流航道能够达到国家规定的航道标准。当地交通部门对某江进行了大力开发，使其具有水电、航道等多功能工程。但是在进行渠化工程时，工作人员发现水面线比想象的要复杂很多，某一地域水面线出现了强烈的变化，三维特性十分明显。对重点滩险河段精确地模拟水面线有利渠化工程整体实施。本计算所选滩险河段位于松花江干流，河段长约1.3km，水面最宽处达400m。该河段比较顺直，河中段略有弯曲，但曲率不大，两岸多浅滩地形，渠化工程实施前水面变化剧烈，枯水季节水深和流态难以满足航运等级要求。
计算中边界条件的给定如前所述，水流入口以某月实测平均水深作为计算入口水深，并给定平均流速分布，出水口水深假定为一维水面线计算水深，表面采用VOF方法，边壁为粗糙固壁。采用非均匀结构化网格，区域总共划分为100×50×20，网格尺寸在0.15～20m之间变化。
图2给出了计算区域左右岸和航中线水面沿程变化情况，航中线水位沿程平缓下降，两岸水面线受复杂岸边地形影响沿程变化幅度较大，特别是在入口和出口处。由于计算域左岸坡缓，右岸坡陡，左岸水位高程比右岸平均高出0.1m，左右岸水位幅度在0.01～0.5m之间变化，入口和出口处左岸水位比右岸高得多，主要是因为入口和出口附近存在有弯道。出口处左岸水位比航中和右岸低得多，是因为出口处右岸为缓滩地，而左岸为狭窄的主河槽。通过观察计算，入左岸存在有小范围回流区，与左岸缓坡地形有关，出口附近右岸水面区域边界变化不规则是受右岸河底局部缓坡地形的影响，明显可见出口断面处靠近左岸水流流速远大于右岸流速。
图1 弯道水流水位对比图
图2 计算区域水位沿程变化图
四、结语
综上所述，可知对VOF方法在山区河流航道工程中的应用进行探讨研究十分必要，尽管VOF方法在山区河流航道工程中的应用还处于研究阶段，但是这不能否认其强大的优势，尤其是精确性，相信随着研究的深入，VOF方法会在山区河流航道工程中得以大范围的被应用。
参考文献
[1]邓军，许唯临，雷军，刁明军.高水头岸边泄洪洞水力特性的数值模拟[J].水利学报.2005（10）
[2]沙海飞，周辉，吴时强，陈惠玲，范丽丽.多孔溢洪道泄流三维数值模拟[J].水利水电技术.2005（10）
[3]陈建华，刘星，唐银安.山区河流非恒定流航道沙卵石浅滩整治[J].水运工程.2005（06）
[4]张健，方杰，范波芹.VOF方法理论与应用综述[J].水利水电科技进展.2005（02）
[5]周昱瑛，刘信华，黄伟军.山区河流主要特性分析及滩险整治方法初探[J].水运工程.2005（01）
【关键词】VOF方法；山区河流；航道工程；应用
流体体积函数，英文缩写为VOF。VOF方法主要的作用是对运动界面进行准确的追踪，属于欧拉模型中的一种。但是实际上，VOF方法应用在山区河流航道中实践并不多，因为应用过程中，工作人员需要解决很多问题，同时整体的网络结构十分复杂，而且计算速度也比较慢。
一、山区河流航道工程与VOF方法
山区河流与平原河流相比，地形十分复杂，而且河道横剖面以及纵剖面都非常不规则，某些区域存在着浅滩，某些区域又存在着深潭等，这些局部性的变化，给航道工程开发带来极大的困难。另外，山区河流绝大多数情况下都是通航河道，为了能够确保通航顺畅，相关部门会对其进行渠化整治，但是整治之后，会出现各种复杂构建物。这使得通航河道水面难以呈现出自由的态势，流速场也大受影响。为此，山区河流通常呈现出河流水位变化大、流苏比较急的特点，而且通常是急弯与浅险同时存在，不仅存在着跌水、恶浪，还存在着槽流等水流现象，这使得航道尺寸出现了明显不足的情况，而且流态条件沙十分恶劣，这使得船舶安全大受影响。对此，许多专家学者都致力于研究山区河道的通航工程，尤其是对不同地形条件下，对河流流速分布以及河流自由水面的变化展开了全面的研究。
现如今专家学者主要是选择使用欧拉模型来计算三维自由水面以及相对应的流速场。而欧拉模式中，主要有两种方法，一种是MAC法，另一种是VOF法。MAC法如果应用在非均匀流场，会出现失真的情况，而VOF法则不会出现。VOF法能够进行计算仿真的准确计算，因此机械水利、化学等多领域得以应用。但是需要承认的是。此种方法应用在山区河流航道工程的实践并不多，这是由于山区河流边界几何比较复杂，因此流态也十分复杂，比如弯道水流，不仅仅存在着横比降水流，还存在着弯道分离流等情况，如果对其采用VOF法，不不仅整体网络数量非常庞大，而且还十分复杂，这对收敛性以及计算求解的速度将会造成比较大影响，所以到目前位置，VOF法只是在山区河流航道工程中，进行尝试性的应用。
二、VOF方法应用的条件
入口边界：进口边界划分为水流速度进口和空气速度进口，并给出初始进口速度u、κ和ε，其中κ和ε由经验公式κ=0.00375u2和ε=k1.5/（0.42H0）给出，H0为进口水深。出口边界：出口边界划分为压力出口和质量出口，初始κ和ε也由经验公式κ=0.00375u2和ε=k1.5/（0.42H0）给出，u和H0为出口初始流速和水深，并假定出口断面为充分发展的紊流运动，所有标量（如κ和ε）的法向梯度为零，流速法向分量的梯度也为零。固壁边界条件：壁面采用无滑移边界条件，采用壁面函数法处理壁面边界。自由表面：采用VOF方法处理。
三、VOF方法在山区河流航道工程中的应用
1.矩形弯道计算
该算例取自休克莱系列弯道试验一组，入流流量为0.072m3/s。计算中采用非均匀结构化网格，网格数为60×18×10，最大网格尺寸0.45m，最小网格尺寸为0.012m，计算总共耗时5h。图1为弯道水面线验证情况，等值线为计算水面线，可见实测点与计算等值线基本吻合，计算反映了弯道水面形态变化特性，验证精度较好。入口处水面有些许起伏，是由于入口处水位和流速分布给定不一致所产生的误差。工作人员要绘制出靠近凹凸岸计算区域流线图，表层水流下潜，底层水流后翻，反应了弯道水流流动形态的特征，另外，还需要计算显示弯道凸岸处流速最大，水流绕过弯道后靠近凹岸一侧流速较小。
2、某滩险河段计算
某地区为了能够充分的利用当地水资源，大力发展航运，使得当地山区河流航道能够达到国家规定的航道标准。当地交通部门对某江进行了大力开发，使其具有水电、航道等多功能工程。但是在进行渠化工程时，工作人员发现水面线比想象的要复杂很多，某一地域水面线出现了强烈的变化，三维特性十分明显。对重点滩险河段精确地模拟水面线有利渠化工程整体实施。本计算所选滩险河段位于松花江干流，河段长约1.3km，水面最宽处达400m。该河段比较顺直，河中段略有弯曲，但曲率不大，两岸多浅滩地形，渠化工程实施前水面变化剧烈，枯水季节水深和流态难以满足航运等级要求。
计算中边界条件的给定如前所述，水流入口以某月实测平均水深作为计算入口水深，并给定平均流速分布，出水口水深假定为一维水面线计算水深，表面采用VOF方法，边壁为粗糙固壁。采用非均匀结构化网格，区域总共划分为100×50×20，网格尺寸在0.15～20m之间变化。
图2给出了计算区域左右岸和航中线水面沿程变化情况，航中线水位沿程平缓下降，两岸水面线受复杂岸边地形影响沿程变化幅度较大，特别是在入口和出口处。由于计算域左岸坡缓，右岸坡陡，左岸水位高程比右岸平均高出0.1m，左右岸水位幅度在0.01～0.5m之间变化，入口和出口处左岸水位比右岸高得多，主要是因为入口和出口附近存在有弯道。出口处左岸水位比航中和右岸低得多，是因为出口处右岸为缓滩地，而左岸为狭窄的主河槽。通过观察计算，入左岸存在有小范围回流区，与左岸缓坡地形有关，出口附近右岸水面区域边界变化不规则是受右岸河底局部缓坡地形的影响，明显可见出口断面处靠近左岸水流流速远大于右岸流速。
图1 弯道水流水位对比图
图2 计算区域水位沿程变化图
四、结语
综上所述，可知对VOF方法在山区河流航道工程中的应用进行探讨研究十分必要，尽管VOF方法在山区河流航道工程中的应用还处于研究阶段，但是这不能否认其强大的优势，尤其是精确性，相信随着研究的深入，VOF方法会在山区河流航道工程中得以大范围的被应用。
参考文献
[1]邓军，许唯临，雷军，刁明军.高水头岸边泄洪洞水力特性的数值模拟[J].水利学报.2005（10）
[2]沙海飞，周辉，吴时强，陈惠玲，范丽丽.多孔溢洪道泄流三维数值模拟[J].水利水电技术.2005（10）
[3]陈建华，刘星，唐银安.山区河流非恒定流航道沙卵石浅滩整治[J].水运工程.2005（06）
[4]张健，方杰，范波芹.VOF方法理论与应用综述[J].水利水电科技进展.2005（02）
[5]周昱瑛，刘信华，黄伟军.山区河流主要特性分析及滩险整治方法初探[J].水运工程.2005（01）