Y型河道水流交匯對溢流壩泄洪影響的數(shù)值模擬研究

劉 斌

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 研究背景

在水利工程領域中，大壩的修建是根據(jù)地理位置、水文數(shù)據(jù)等綜合考慮的，而Y型河道是一種特殊的河道形式，由于Y型河道上游水流的交匯對大壩泄洪、水力發(fā)電等都將產生不同的影響，因此大壩的修建都需要通過水工模擬進行驗證。目前隨著計算流體力學和計算機科學的發(fā)展，已有學者通過流體力學計算軟件對大壩在不同河道形式下進行研究，得到了一系列可靠性成果，為水利工程領域研究提供參考依據(jù)，例如孫亞明[1]通過采用四種模型模擬連續(xù)彎道對水流特性的影響，得出了Reynolds模型能較好地再現(xiàn)連續(xù)彎道水流形態(tài)；程凱等[2]以二維和三維模擬為基礎模擬彎曲復式河道水流特性，發(fā)現(xiàn)對于水流二次流三維模擬效果較好；王兵等[3]采用Flow-3D軟件模擬堤防堵口水力條件，總結出堤防潰口的水流運動規(guī)律，為類似工程研究提供基礎。

通過國內外學者以數(shù)學計算軟件在水利工程的模擬應用效果，可知數(shù)學模擬相比物理模擬經濟可靠、可重復性強，因此本文通過查閱相關資料及建立Y型河道處的溢流壩水力學模型為例，運用成熟的Flow-3D軟件建立數(shù)學模型進行計算，研究Y型河道水流交匯的基本規(guī)律及對溢流壩泄洪水流特性的影響。

2 數(shù)學模型

本文數(shù)學模型模擬水流的復雜變化采用k-ε模型，因為在水流復雜的交匯變化中，相比其他模擬其具有較好的連續(xù)性和對自由表面模擬較好。通過網(wǎng)格劃分把整個模型的域分成若干個單元網(wǎng)格，其中F=0表示該單元網(wǎng)格為空白網(wǎng)格沒有流體；F=0～1表示該單元網(wǎng)格存在連續(xù)的部分流體；F=1表示該單元網(wǎng)格全部被流體充滿[4]。根據(jù)網(wǎng)格劃分規(guī)則及保證各個局部完整性，此次網(wǎng)格劃分以矩形結構劃分法，網(wǎng)格平均單元為0.8 m，網(wǎng)格數(shù)量約為150萬。

2.1 控制方程

為了計算流體運動情況，模型計算方程包含連續(xù)方程、動量方程、紊動能方程。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

紊動能k方程：

(3)

式中：ui為在xyz軸方向上的流速分量；gi、fi分別為在xyz軸上重力加速度及黏滯力；Vf為流體的體積分數(shù)；ρ為流體密度；p為在流體微元上的壓力；k為表示紊動能；σk為紊動對應的Prandtl數(shù)；μ、μt分別為流體動力黏滯系數(shù)及紊動黏滯系數(shù)；xi表示xyz坐標軸，Ai和Aj分別為在xy軸上的流體的面積分數(shù)；t為時間；ui和uj分別為流速矢量在xi和xj方向的分量；ε是紊動能耗散率；Gk為由平均速度梯度引起的紊動能產生項[5]。

2.2 邊界及初始條件設置

邊界條件：Y型河道上游設置流量邊界，設置初始水位50.00 m，溢流壩下游河道設置壓力邊界，給定初始水位30.00 m，模型整體上方與大氣接觸設置大氣壓力邊界，模型底部采用固體墻邊界。

初始條件：Y型河道上游給定初始流量Q=600.00 m3/s，計算時間步長為0.01 s，計算結果輸出流速、流態(tài)、挑距、水位等。

2.3 模型率定

計算模型都是通過建立幾何模型及數(shù)學方程進行計算，為了驗證所建幾何模型及設置的數(shù)學方程的可靠性，將數(shù)值模擬結果與物理模型試驗實測數(shù)據(jù)的流速進行驗證分析，見表1。

表1 溢流壩閘孔流速

表1是Q=600.00 m3/s時Y型河道水流交匯處溢流壩泄洪閘孔流速，溢流壩1#、2#閘孔實測平均流速和數(shù)值模擬結果相比較，誤差范圍在2.80%～5.73%之間，相對誤差較小。由圖1可知，水流閘孔泄流模擬形態(tài)與試驗值較吻合。幾何模型及數(shù)學方程選取較好，可以模擬本文所研究的內容。

圖1 水流閘孔泄流

3 Y型河道溢流壩泄洪數(shù)值模擬

Y型河道水流交匯復雜，本文主要是研究在Y型河道交匯處下游的溢流壩的水流特性變化情況，通過Flow-3D軟件計算分析模擬流態(tài)、閘孔流速、挑距及下游水平斷面流速變化情況，上游Y型河道有兩條交匯的河道，下游交匯合并成一條河道，溢流壩建于下游一條河道處，具體建模如圖2所示。

圖2 Y型河道溢流壩模型

3.1 流態(tài)

由于Y型河道水流交匯的影響，溢流壩水流流態(tài)也會發(fā)生變化，為了更好地研究Y型河道溢流壩泄洪水流流態(tài)變化情況，根據(jù)數(shù)值模擬結果得到流態(tài)圖，見圖3。

圖3 流態(tài)

由圖3可知，由于Y型水流的匯聚，在溢流壩上游處有水流沖擊波動，水流順勢交匯挑流到下游，水舌挑流均勻的分布在河道中央，對兩岸河道沖刷影響較小。

3.2 閘孔流速

對于溢流壩泄洪閘孔流速是比較重要的參數(shù)，為研究在Y型河道水流交匯下游溢流壩閘孔的流速分布情況，對1#、2#閘孔流速進行數(shù)值模擬研究，通過后處理軟件tecplot對閘處進行切片處理[6]，得到閘孔流速分布圖，具體見圖4。

圖4 閘孔流速

根據(jù)圖3可知，隨著Y型水流的交匯進入溢流壩閘孔進行泄洪。1#、2#閘孔流速分布規(guī)律相同，流速都是從閘孔底部到上部依次增大，流速范圍在2.10 ～8.80 m/s之間，相對1#閘孔底部較大流速比2#閘孔分布廣，可能由于Y型河道水流在閘孔處交匯對閘室波動影響大造成的。

3.3 挑距

對于溢流壩泄洪挑距是較重要的數(shù)據(jù),直接影響消能效果，挑距的遠近及靠左右岸邊對壩體及兩岸的穩(wěn)定性影響巨大。本文研究的模型是建在Y型河道水流交匯下游處的溢流壩，為研究溢流壩泄洪時左右岸水舌挑距的變化情況，通過數(shù)值模擬結果得到表2。

表2 挑距特征

根據(jù)表2可知1#、2#閘孔泄洪水舌挑距分別為12.00 m和12.30 m，相差較小，相對Y型河道水流交匯對2#閘孔挑距影響不大，同時左右岸挑距入水較均勻，沖刷位置分布較平均，對兩岸沖刷影響較小。

3.4 下游河道流速

為研究下游河道水平斷面流速分布情況，對Y型河道溢流壩泄洪數(shù)值模擬得到流速情況，通過tecplot軟件對下游河道Z=20.00 m處水平進行切片處理[6]，得到流速分布云圖，見圖5。

圖5 下游河道流速

根據(jù)圖5可知，下游河道最大流速為28.00 m/s主要集中在河道中央，最小流速均勻分布在下游河道周邊，因此對于Y型河道，由于水流交匯處水流較集中能量巨大，對下游河道中央影響較大，建議在此類河道中設置消能坎。

4 結 論

為研究Y型河道水流交匯對溢流壩泄洪水流特性影響，本文采用Flow-3D軟件對Y型河道水流溢流壩泄洪進行數(shù)值模擬，得到以下結論。

(1)由于Y型水流的匯聚，水舌挑流均勻的分布在河道中央，對兩岸河道沖刷影響較小。流速從閘孔底部到上部依次增大， 1#、2#閘孔流速分布規(guī)律相同且最大流速8.80 m/s。

(2)1#、2#閘孔泄洪水舌挑距相差較小，Y型河道水流交匯對2#閘孔挑距影響不大，同時左右岸挑距入水較均勻，沖刷位置分布較平均對兩岸沖刷影響較小。

(3)下游河道最大流速為28.00 m/s，主要集中在河道中央，最小流速均勻分布在下游河道周邊，因此對于Y型河道,由于水流交匯處水流較集中能量巨大，對下游河道中央影響較大，建議在此類河道中設置消能坎。