跌坎型底流消力池水力特性二維數(shù)值模擬研究

王智娟，姜伯樂，黃國兵

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

跌坎型底流消力池水力特性二維數(shù)值模擬研究

王智娟，姜伯樂，黃國兵

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

采用二維數(shù)值模擬的方法，模擬了表孔溢流壩及其末端的跌坎式底流消力池的二維流場。并分別從調(diào)整跌坎高度、在跌坎前增加水平段，以及改變出流角度3個方面對跌坎體型進(jìn)行修改，通過各方案對比，得出消力池臨底流速變化規(guī)律?？蔀楣こ淘O(shè)計和科學(xué)試驗工作提供參考。

消力池；跌坎；二維數(shù)值模擬；VOF模型；臨底流速

壩下游的消能方式主要有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能。其中，底流消能是利用水流在消力池內(nèi)產(chǎn)生水躍進(jìn)行消能的一種傳統(tǒng)的消能方式［1］，具有泄洪霧化影響小、適應(yīng)性強(qiáng)、流態(tài)穩(wěn)定、消能效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用［2］。但對于高水頭、大流量泄洪工程，底流消能存在著底板臨底流速較大，抗沖磨保護(hù)難度大的問題，因此其在工程應(yīng)用中存在局限性。跌坎型底流消能工是在傳統(tǒng)底流消能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)體型，水流出跌坎后，不是直接沿著消力池底部行進(jìn)，而是在消力池內(nèi)經(jīng)過橫向和縱向擴(kuò)散，消散下泄水流的部分能量，從而使臨底流速明顯降低，因此具有較廣的應(yīng)用前景［2］。

對于跌坎式底流消能工，其跌坎結(jié)構(gòu)尺寸直接影響到水流對消力池底板的沖擊作用。本文根據(jù)某高水頭電站推薦的跌坎式消力池體型進(jìn)行了二維數(shù)值模擬計算，對跌坎體型進(jìn)行了多種方案的比較，探尋跌坎形式對消力池臨底流速的影響規(guī)律。

1 數(shù)值計算方法簡介

計算模型選用雷諾時均法k ε雙方程模型，其連續(xù)方程、動量方程和k，ε方程可分別表示如下。

連續(xù)方程

式中：ρ和μ分別為體積分?jǐn)?shù)平均的密度和分子黏性系數(shù)；p為修正壓力；μt為紊流黏性系數(shù)，它可由紊動能k和紊動耗散率ε求出，μt＝其中Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，取0.09；σk和σε分別為k和ε的紊流普朗特數(shù)，分別為1.0和1.3；C1ε和C2ε為ε方程常數(shù)，分別為1.44和1.92；G為由平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項，它可由下式定義，

線性化的方程組求解運(yùn)用點(diǎn)隱式高斯 塞德爾迭代方法。選用SIMPLE算法對壓力和速度進(jìn)行耦合計算。

2 邊界條件的設(shè)定及計算網(wǎng)格

2.1 邊界條件設(shè)定

本研究進(jìn)口為上游水庫橫斷面，按照設(shè)計提供水位條件，通過靜壓分布控制上游水位為245.0 m。k和ε按式（6）和（7）計算：

式（7）中l(wèi)是進(jìn)口混合長度。

出口邊界條件和進(jìn)口邊界條件方法相同，按照提供的下游設(shè)計水位條件，通過靜壓分布控制下游水位為162.57 m。

本文采用VOF法來處理水和氣體的交界面。對水氣兩相流場，假設(shè)在同一單元中，水或氣體或者兩者的混合體具有相同的速度，即服從同一組動量方程，但它們的體積分?jǐn)?shù)在整個流場中都作為獨(dú)變量。在每個單元中，水和氣的體積分?jǐn)?shù)之和為1。與真正的單相流相比，會多一個（水或氣的）體積分?jǐn)?shù)變量。

2.2 模型范圍及網(wǎng)格

模擬了上游200 m、下游500 m左右范圍，上、下游均采用設(shè)計水位。二維計算選取范圍示意見圖1。表孔出口處樁號為0＋113.46。

圖1 二維數(shù)模計算范圍示意圖Fig.1 Schematic plot of computational domain of the 2 D numerical simulation

在劃分網(wǎng)格時，本著對重點(diǎn)部位進(jìn)行加密、一般部位適當(dāng)放寬的原則進(jìn)行。在跌坎水深方向網(wǎng)格尺寸為0.5 m，沿水流方向網(wǎng)格尺寸為1.0 m，其余部位均在1.0 m左右。見圖2。

圖2 二維計算網(wǎng)格示例Fig.2 Exam p les of the 2 D grid com putation

圖3 各方案消力池流速分布圖Fig.3 Velocity distribution at the stilling basin of each scheme

3 計算方案介紹

計算在7 m跌坎高度的基礎(chǔ)上，分別用3個方法，8種方案進(jìn)行體型優(yōu)化。各方案消力池流速分布見圖3；各方案參數(shù)詳見表1。方法一：通過降低消力池底板高度和抬高表孔出口高程的方法以增加表孔水流入池時的水墊厚度，共計算了4個方案，分別為方案1至方案4；方法二：在方案2（跌坎高度8 m）的基礎(chǔ)上，在跌坎后分別增加了0.75 m和5.75 m的水平段，稱作方案5和方案6；方法三：對表孔出流角度進(jìn)行了修改，分別采用10°和15°左右的仰角，稱作方案7和方案8。

表1 各方案尺寸特征Table1 Parameters of each scheme

表2 各方案距底部1 m處流速Table2 The velocity at 1m to the bottom of each scheme m／s

4 計算結(jié)果

（1）方法一：調(diào)整跌坎高度，見圖3（a）至圖3（d），將圖中計算方案距底部1 m處流速進(jìn)行對比，見表2中的方案1至方案4。

從表2方案1至方案4中流速分布看出，將跌坎高度增加后，表孔入池水流受底板的擠壓減輕，從而使最大臨底流速有所降低。

（2）方法二：跌坎前增加水平段，見圖3（e）和圖3（f），圖中2種方案臨底流速比較見表2中的方案5和方案6。2個方案比較發(fā)現(xiàn)，通過增加跌坎前水平段，入池水流落點(diǎn)略靠后，整體上看，消力池底部流速有明顯下降，局部略有增大，與落點(diǎn)位置的變動有關(guān)。

（3）方法三：改變出流角度，見圖3（g）和圖3（h）中，圖中2方案臨底流速比較見表2中的方案7和方案8。

圖4 各方案最大流速比較（表孔中心線距底1.0 m處）Fig.4 Comparison of themaximum velocities at points 1.0m to the bottom on the central line of the surface spillway

5 方案比較

對各方案表孔中心線距底1 m處流速進(jìn)行對比，見圖4。

（1）從圖4（a）3個方案對比可看出：方案2（8 m坎高，121底板）和方案3（9 m坎高，120底板）臨底流速基本相同，與方案1（7 m坎高，122底板）比較，前半部有所降低，由于落點(diǎn)后移，中后部稍增，尾部基本相同。說明降低消力池底板高程可使消力池前半部臨底流速有所降低。

（2）從圖4（b）2個方案對比可看出：方案4（10 m坎高，122底板，尾坎140 m）與方案1（7 m坎高，122底板，尾坎139 m）相比，增加坎高使前半部臨底流速降低，但表孔出流觸底點(diǎn)部位下移使后半部略有增加。

（3）從圖4（c）4個方案對比可看出：方案5至方案8，4個方案均為122 m底板高程，坎高均為8 m；方案6（5.75 m水平段）較方案5（0.75 m水平段）相比，水舌落點(diǎn)后移，從樁號0＋145.0至0＋165.0之間流速略大，之后明顯減小，尾部基本相同；方案8（15°仰角）與方案7（10°仰角），樁號0＋170之前，流速明顯降低，從樁號0＋240往后，流速明顯增加，原因是挑角15°方案使落點(diǎn)后移，致消力池后部流速增大；方案7與方案6相比，流速沿程變化規(guī)律很接近，樁號0＋180以后方案7較小。

（4）綜合比較以上8個方案，表孔出流水舌落點(diǎn)位置與臨底流速最大值有較明顯的相關(guān)性，見表3。

表3 各方案水舌落點(diǎn)與最大臨底流速比較Table3 Com parison of the fall points of water jet and the com parison ofmaximum velocities near the bottom of each scheme

整體來看，表中數(shù)據(jù)具有比較一致的規(guī)律性，出流水舌落點(diǎn)位置向下游移動使最大臨底流速出現(xiàn)部位相應(yīng)地也向下游移動，從而使消力池前半段最大臨底流速明顯降低。

綜合起來對比，在8個方案中，改變出流角度的方案臨底流速降低最多，其次，增加水平段的方法臨底流速降低也較明顯；另外，方案4跌坎高10.0 m與方案6坎高8.0 m增加5.75 m水平段效果基本相當(dāng)。

6 結(jié) 論

經(jīng)過一系列的計算比較，對于跌坎式底流消能工體型而言，通過采用降低消力池底高程以增加水墊厚度、增加跌坎前水平段長度，以及在表孔出口設(shè)置向上挑角的方法，均可以使消力池最大臨底流速下降，不同工程可根據(jù)實(shí)際情況選擇降低臨底流速的措施。

［1］ 孫雙科，柳海濤，夏慶福，等.跌坎型底流消力池的水力特性與優(yōu)化研究［J］.水力學(xué)報，2005，36（10）：1188－1193.（SUN Shuang ke，LIU Hai tao，XIA Qing fu，et al.Study on Stilling Basin With Step down Floor for Energy Dissipation of Hydraulic Jump in High Dams［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2005，36（10）：1188－1193.（in Chinese））

［2］ 李志高，翟靜靜，向光紅.跌坎型底流消能試驗研究［J］.人民長江，2009，40（23）：28－29.（LI Zhi gao，ZHAI Jing jing，XIANG Guang hong.Model Test Study of the Stilling Basin with Step Down Floor［J］.Yangtze River，2009，40（23）：28－29.（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

Study on the Hydraulic Characteristics of Stilling Basin w ith Step Down Floor by 2 D Numerical Simulation

WANG Zhi juan，JIANG Bo le，HUANG Guo bing
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The flow field of the surface spillway of an overflow dam and the stilling basin with step down floor at the end of the spillway was simulated by 2 D numerical simulation.The shape of the step down floorwasmodified from three aspects，namely changing the height of the step down floor，adding a horizontal platform in front of the step down floor and changing the angle of the outlet.By comparing different plans，the rules of velocity variation near the stilling basin were obtained.The study can be regarded as a reference for engineering design and scientific ex periments.

stilling basin；step down floor；2 D numerical simulation；VOFmodel；velocity near the bottom

TV135.21

A

1001－5485（2011）08－0031－04

2010 08 25

王智娟（1979 ），女，河南洛陽人，工程師，主要從事水力學(xué)研究工作，（電話）027 82823077（電子信箱）niny1979＠163.com。