坡度對臺階式溢洪道壓強分布及消能效率的影響分析

向慶銀

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 401120)

隨著我國對環(huán)保要求的大幅提高，同時受煤炭開采量與質(zhì)量限制，火力發(fā)電量逐步受到限制；水利發(fā)電由于其清潔且可持續(xù)再生產(chǎn)的特點，成為目前國家大力推行的電能獲取形式。近年來，大量水電站在我國西南山區(qū)興建。然而，要高效利用水利資源必須增加水頭落差，而高水頭將導(dǎo)致下泄水流能量巨大，如不合理引導(dǎo)、耗散能量將沖刷下游河床，干擾河演平衡，嚴重情況下甚至?xí){溢洪道建筑物運行穩(wěn)定。目前，臺階式溢洪道是常用的溢洪道消能形式之一。

為進一步研究臺階式溢洪道消能規(guī)律，本文選擇重慶市落中子水電站為研究對象，借助三維數(shù)學(xué)模型計算方法，分析不同坡率下臺階式溢洪道的水流特性、壓強分布以及消能效率對比。

1 實例工程介紹

重慶市落中子水電站位于重慶市酉陽縣的小清河，經(jīng)緯度坐標為東經(jīng)107°52′，北緯30°27′，距離酉陽縣城6.5km，距離重慶市62.3km，設(shè)計洪水位678.0m，校核洪水位681.5m，最大水頭落差39.2m，共設(shè)置有9臺發(fā)電機組，年設(shè)計發(fā)電量0.72億千瓦時。主要向酉陽縣城供應(yīng)電能。

落中子水電站溢洪道全長約660m(設(shè)計樁號自溢0+000至溢0+657.6)，其中消能布置采用梯坎段+消力池的組合形式。落中子水電站溢洪道平面設(shè)計示意圖如圖1所示。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 數(shù)模計算軟件

結(jié)合本工程的實際建設(shè)情況、各權(quán)威軟件的適用性，綜合選擇大型三維計算軟件FLUENT，采用CFD模塊進行計算，可以精確地模擬復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動。

2.2 計算模型設(shè)置

根據(jù)類似工程經(jīng)驗，共設(shè)置1∶1.5和1∶1.0兩種坡比的計算模型進行對比計算。兩類模型的斷面設(shè)置如圖2所示。

2.3 計算網(wǎng)格劃分及部分參數(shù)設(shè)置

為保證計算精度，網(wǎng)格間距設(shè)為0.1m，同時，為保證計算效率，對于上游邊墩處的網(wǎng)格間距適當增大，設(shè)置為0.5m。方案一整個模型共有6258個網(wǎng)格和9630個網(wǎng)格節(jié)點。方案二整個模型共有6072個網(wǎng)格和9330個網(wǎng)格節(jié)點。方案一的部分網(wǎng)格劃分設(shè)置如圖3所示。

根據(jù)實際工程的情況以及部分實驗率定，選擇設(shè)計工況(設(shè)計洪水)作為模型計算工況，模型進口單寬流量為30m3/s，同時取單寬流量為20m3/s、10m3/s兩組工況作為增加對比工況。溢洪道底板率取0.022，溢洪道兩處邊壁糙率取0.024，紊動能系數(shù)取0.28。為保證計算精度以及模型計算結(jié)果收斂性，計算時間步長取0.1s。

圖1 落中子水電站溢洪道平面設(shè)計示意圖

圖2 對比計算模型試驗設(shè)計

圖3 方案一的部分網(wǎng)格劃分設(shè)置

3 數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果分析

對上述兩種方案進行數(shù)學(xué)模型計算，并分別從流速、壓力、消能率幾個方面分別對比兩種方案的實際情況。

3.1 流速分布計算結(jié)果分析

設(shè)計洪水工況(單寬流量為30m3/s)下，方案一與方案二臺階段沿程流速分布如圖4所示，同時，在單寬流量分別為30m3/s、20m3/s、10m3/s工況下，22#臺階處方案一與方案二在不同水深處流速統(tǒng)計如圖5所示，圖5中橫坐標為水流流速，縱坐標為統(tǒng)計點處的水深值。分析可知：

圖4 設(shè)計工況下各方案溢洪道臺階段沿程流速分布

圖5 22#臺階處方案一與方案二在不同水深處流速統(tǒng)計

(1)在設(shè)計工況下，沿水深方向流速等值線層次變化十分明顯。水流在堰頂處流速約為10m/s，隨著水流逐漸下泄，重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，流速迅速增大，同時，臺階對水流能量的耗散不能完全抵消重力勢能的轉(zhuǎn)換。

(2)在設(shè)計工況下，在進入消力池時，方案一的主流流速增加到15.2～19.2m/s；方案二的主流流速增加到16.3～19.8m/s，方案二的主流流速要略大于方案一。

(3)在各工況下，下泄水流表面流速要遠低于底部流速。

3.2 壓力值分布計算結(jié)果分析

設(shè)計洪水工況(單寬流量為30m3/s)下，方案一與方案二在22#臺階段沿程壓強等值線分布如圖6所示。同時，在單寬流量分別為30m3/s、20m3/s、10m3/s工況下，22#臺階處方案一與方案二在不同水深處壓強統(tǒng)計見圖7(圖7中橫坐標為壓強值，縱坐標為統(tǒng)計點處水深與臺階高度h的比值)。分析可知：

圖6 設(shè)計工況下各方案在22#臺階處壓強等值線

圖7 22#臺階處方案一與方案二在不同水深處壓強統(tǒng)計

(1)在設(shè)計工況下，三個流量的壓強隨著臺階高度的增加逐漸減小，在0.6h處壓強為零，之后隨高度增加壓強逐漸減小至負壓，當?shù)?.75h時，壓強降到最小，之后又開始增加。

(2)分析圖7可知，約在0.75h處，壓強的最小值(此時負壓絕對值最大)由大到小所對應(yīng)的流量依次為單寬流量30m3/s、20m3/s、10m3/s工況。由此可見，流量最大，負壓絕對值最大；流量最小，負壓絕對值最小。各體形時的壓強曲線為一“S＂狀。究其原因，推測為隨著單寬流量的增加，水流流速增加，滑行水流的拽動作用即卷走臺階內(nèi)空氣的能力亦增加，負壓絕對值亦增加。這與水流流速過大容易產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象吻合。

(3)從圖7中可分析出，方案一在0.88h處時，壓強從負壓上升為零壓，而方案二對應(yīng)的位置約為0.93h，可見臺階段形態(tài)不同對壓強分布有一定影響。

(4)總體來看，在相同位置，其他條件一致的情況下，方案二的壓強要略大于方案一。

3.3 消能效率對比

溢洪道在梯坎段進、出口時水流的能量差與進口時水流能量的比值即為消能效率，如下式：

(1)

式中，E1—溢洪道進口單位重量水流的重力勢能與動力勢能之和；E2—溢洪道出口單位重量水流的重力勢能與動力勢能之和。

實例工程各工況下梯坎段消能效率結(jié)果統(tǒng)計見表1。分析可知，方案一的坡度小于方案二，水流在下泄過程中經(jīng)過了充分摩擦、旋滾，水流能量被更高效消耗，能量耗散比例更高。因此，在相同工況下，方案一的消能效率要高于方案二。

表1 方案一與方案二在各工況下消能效率對比

4 結(jié)論

本文以重慶市落中子水電站溢洪道臺階段為研究對象，借助FLUENT CFD模塊進行計算，對比了1∶1.0和1∶1.5兩種坡度下溢洪道臺階段的水流流態(tài)、壓強分布和消能效率，研究結(jié)果顯示：

(1)在設(shè)計工況下，方案一、方案二在臺階段出口處的流速分別為15.2～19.2m/s和16.3～19.8m/s，在其他流量工況下，方案一的出口流速也同樣要小于方案二。

(2)在設(shè)計工況下，方案一、方案二分別在0.88h/0.93h處開始，壓強從負壓上升為零壓，總體來看方案二的壓強要略大于方案一。

(3)方案一的坡度小于方案二，水流在下泄過程中經(jīng)過了充分摩擦、旋滾，水流能量被更高效消耗，在相同工況下，方案一的消能效率要高于方案二。

(4)綜合對比可知，在各流量工況下，方案一的出口流速、壓強值更小，消能效率更高。因此，綜合確定方案一為推薦方案。