溢洪道挑流水舌形狀數(shù)值模擬計(jì)算研究

麥麥提江·艾麥提

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局焉耆水源地供水管理處，新疆 塔里木 841100)

溢洪道是用于排放水庫(kù)中多余水量、漂浮物、泥沙等的重要水工建筑物，是維護(hù)水庫(kù)安全運(yùn)行的重要保證［1～2］。泄洪消能是水利建設(shè)中的重要技術(shù)問(wèn)題，水利工程的修建勢(shì)必引起天然河道水流特性的改變，在上下游落差的作用下，溢洪道的水流速度將會(huì)明顯大于河水流速，因此溢洪道的寬度一般小于河床寬度。如果不采取有效措施，將會(huì)沖刷下游河床，危及水利樞紐的安全。

從國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展來(lái)看，研究溢洪道的文獻(xiàn)很多，但是對(duì)挑流水舌進(jìn)行數(shù)值模擬的文獻(xiàn)還不多見(jiàn)［3～4］。本文以水利樞紐溢洪道為研究對(duì)象，分析溢洪道的泄洪功能。采用FLUENT軟件對(duì)單一工況下的挑流水舌形狀進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 溢洪道挑坎試驗(yàn)研究

溢洪道模型按照重力相似性準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型的幾何比例尺取50，流量比例尺為17677.67，流速比例尺為7.07，時(shí)間比例尺為7.07，粗糙度比例尺為1.92。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀梢绾榈篱l室、泄槽、挑坎等部分組成。上游水位測(cè)點(diǎn)位于溢洪道進(jìn)口60m處，下游水位測(cè)點(diǎn)位于挑坎下游175m的位置。

首先研究溢洪道的泄流能力，溢洪道3個(gè)孔的狀態(tài)分別為:全開(kāi)、開(kāi)度1m、開(kāi)度2m、開(kāi)度4m。在這些工況下分別觀測(cè)泄流量為200m3/s和500m3/s時(shí)的溢洪道泄流狀態(tài)和沖淤地形。在水庫(kù)正常水位下，溢洪道全開(kāi)的泄流量為1213m3/s，在水庫(kù)校核水位下，溢洪道的全開(kāi)下泄流量為1584m3/s。根據(jù)模型的泄流量，定義3孔全開(kāi)的綜合流量系數(shù)［5］計(jì)算公式:

式中:Q為測(cè)量出的流量值;B為孔口的寬度;H0為全水頭。

計(jì)算得出，庫(kù)區(qū)水位在正常值和校核值之間變化時(shí)，綜合流量系數(shù)為0.38～0.45。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行沖刷試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1)溢洪道的泄流能力隨著水位升高而變大，流量系數(shù)變化規(guī)律符合WES性能。

(2)現(xiàn)有模型采用連續(xù)型挑坎，但是試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溢洪道的出口水舌對(duì)左岸坡沖刷嚴(yán)重，不利于岸坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

(3)泄洪過(guò)程中，水舌位置過(guò)于集中，左岸坡腳處存在較大沖坑。

分析可知該水庫(kù)的挑流水舌沖刷左岸岸坡，為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了3種新型挑坎和改進(jìn)方案使挑流水舌落到河床中央。

第1種挑坎改進(jìn)方案，是在原有挑坎左邊墻的位置設(shè)計(jì)了圓弧貼角體，其圓弧底弧半徑為35m，頂弧半徑為45m。將溢洪道的下泄流量設(shè)置為500m3/s，觀測(cè)此情況下的水舌形態(tài)，在貼角的作用下，水舌已經(jīng)離開(kāi)左岸坡，但是這種改造方法僅對(duì)挑坎左側(cè)一部分水流起作用，大部分水流仍保持原來(lái)的形態(tài)。水舌落點(diǎn)仍距離左岸坡很近，在坡腳處形成14.2m的沖坑，但是深度已經(jīng)比未改造時(shí)減小3.1m。如圖1所示。

圖1 第1種設(shè)計(jì)方案示意圖

第2種挑坎改進(jìn)方案，是將挑坎左側(cè)的直坡延長(zhǎng)，右側(cè)保持不動(dòng)，這樣就形成了斜挑坎，利用挑坎末端的高度差將水舌導(dǎo)向溢洪道中央。將溢洪道的下泄流量設(shè)置為500m3/s，觀測(cè)此情況下的水舌形態(tài)和淤積情況。這種改進(jìn)方案的水舌挑距和沖刷情況與改進(jìn)前基本相似，只是挑射高度有所不同。如圖2所示。

第3種挑坎改進(jìn)方案，是在原挑坎的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)圓弧導(dǎo)流墻。這樣單槽挑坎就被分為三槽，導(dǎo)墻的厚度設(shè)置為1.2m，并將原有左邊墻的長(zhǎng)度縮短5m。將溢洪道的下泄流量設(shè)置為200m3/s、500m3/s，觀測(cè)此情況下的水舌形態(tài)，分槽后下泄水流將遠(yuǎn)離左岸坡，這種改進(jìn)方案的效果最好。如圖3所示。

表1給出了3種改進(jìn)方案的下泄流量、沖坑特征值、下游水位參數(shù)。

表1 3種改進(jìn)方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 第2種設(shè)計(jì)方案示意圖

圖3 第3種設(shè)計(jì)方案示意圖

2 溢洪道水舌數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立

采用FLUENT軟件對(duì)第3種改進(jìn)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬之前首先建立數(shù)學(xué)模型。網(wǎng)格劃分在GAMBIT軟件中完成，并設(shè)置好邊界條件和入口參數(shù)，設(shè)置的設(shè)計(jì)工況下的入口速度為15m/s，水深為3.2m，校核流量下的水流速度為15.25m/s，水深為4.2m。使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在水舌處進(jìn)行局部加密處理，整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量約為64.7萬(wàn)。計(jì)算采用FLUENT軟件中的分離式求解器，并進(jìn)行壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的耦合。

采用3種湍流模型模擬了挑舌形狀，分別為kε雙方程模型、RNG k－ε模型、Realizable k－ε模型［6］。k－ε雙方程模型有紊動(dòng)能和耗散率兩個(gè)參數(shù)，應(yīng)用范圍最廣但是在彎曲處會(huì)存在失真。RNG k－ε模型修正了湍流粘度，考慮了旋轉(zhuǎn)彎曲情況，可用于處理流線曲率變化較大的流動(dòng)。Realizable k－ε模型引入了旋轉(zhuǎn)理論，將湍動(dòng)能系數(shù)與應(yīng)變率結(jié)合起來(lái)，精度最高。

2.2 求解結(jié)果

利用FLUENT軟件對(duì)挑流水舌進(jìn)行數(shù)值模擬。前文模型試驗(yàn)得出的挑流水舌縱向挑距為75m，橫向挑距為35.6m，挑高為19m。k－ε雙方程模型模擬得出的挑流水舌縱向挑距為72.8m，橫向挑距為20.5m，挑高為17.8m。RNG k－ε模型模擬得出的挑流水舌縱向挑距為73.2m，橫向挑距為30.2m，挑高為18.2m。Realizable k－ε模型模擬得出的挑流水舌縱向挑距為73.6m，橫向挑距為22.4m，挑高為18.4m。3種湍流模型得出的挑流水舌參數(shù)都比較接近，但是k－ε雙方程模型、Realizable k－ε模型計(jì)算出的橫向挑距與模型試驗(yàn)間的差距很大，RNG k－ε模型計(jì)算出的橫向挑距與試驗(yàn)結(jié)果相近，這種算法更接近實(shí)際結(jié)果。

由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果間的相對(duì)誤差在7% ～10%之間。RNG k－ε模型計(jì)算出的橫向挑距與試驗(yàn)結(jié)果相近，分析產(chǎn)生誤差的原因，可能是網(wǎng)格劃分的不精確，計(jì)算中的誤差被軟件放大。

3 結(jié)語(yǔ)

消能是水利建設(shè)中的重要技術(shù)問(wèn)題，水利工程的修建勢(shì)必引起天然河道水流特性的改變。以水利樞紐溢洪道為研究對(duì)象，分析了溢洪道的泄洪功能，并在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了3種挑坎改進(jìn)方案。采用FLUENT軟件對(duì)單一工況下的挑流水舌形狀進(jìn)行數(shù)值模擬，采用3種湍流模型模擬了挑舌形狀，分析了3種湍流模型在挑舌形狀數(shù)值模擬中的適用性。數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果間的相對(duì)誤差在7%～10%之間。RNG k－ε模型計(jì)算出的橫向挑距與試驗(yàn)結(jié)果相近。

［1］陸周祺.溢流壩池式消力戽數(shù)值模擬及特性分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013(12):64-66.

［2］木克然·阿娃，阿力甫江·阿不里米提，木拉提·玉賽音，等.阿拉溝水庫(kù)溢洪道流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014(02):38-43.

［3］高學(xué)平，賈來(lái)飛，宋慧芳，等.溢洪道摻氣坎槽后摻氣水流三維數(shù)值模擬研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014(02):90-96.

［4］郭紅民，向光明，謝洋，等.毛家河水電站溢洪道三維數(shù)值模擬［J］.水電能源科學(xué)，2013(03):81-85.

［5］林禎兆.溢洪道的水力特性研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2010(02):48-49+54.

［6］周宏，黃騰，胡金杰.對(duì)蓄滯洪區(qū)設(shè)計(jì)及蓄滯洪區(qū)安全區(qū)涵閘設(shè)計(jì)的建議［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015(01):52-55.