閘墩迎水面角度對(duì)拱壩挑流影響的數(shù)值模擬研究

胡海松，卓 林，王 兵

(1.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，合肥 230000； 2.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景及意義

在水利工程設(shè)計(jì)和研究領(lǐng)域，閘墩迎水面的形狀及角度設(shè)計(jì)一直是水利專業(yè)人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。目前，大多數(shù)的閘墩迎水面都是弧形，因?yàn)殚l墩引水面弧形在水流沖擊下使水流產(chǎn)生不同程度的變化，且對(duì)水流的流態(tài)及流速影響起著決定性作用。

閘墩的形式多種多樣，經(jīng)閘墩的水流受閘墩引水面的角度影響。如水流流經(jīng)閘墩時(shí)受邊墩和中墩的側(cè)向收縮的影響，水流存在流態(tài)的擾動(dòng)及流線的變化，這對(duì)能量的損失及水流的流速影響極大，為此需要根據(jù)閘室的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的閘墩形狀及引水面角度[1-3]；在有閘墩的大壩過(guò)流研究中，水流受到閘墩的阻礙變得紊動(dòng)及在閘墩引水面和閘室處產(chǎn)生旋渦，為此有些學(xué)者認(rèn)為造成帶閘墩的大壩過(guò)流能力降低主要是水流在受閘墩側(cè)面影響發(fā)生拐彎，使得水流發(fā)生旋流及斷面水流分布不均勻[4-5]。針對(duì)前人對(duì)閘墩影響水流的過(guò)流能力影響研究，本文主要通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建立數(shù)學(xué)模型，研究閘墩引水面為40°，50°，60°共3種角度情況下的水力特性的變化情況，通過(guò)分析得到較優(yōu)的閘墩引水面角度，以期為類似工程研究提拱理論參考。

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 模型建立

以某實(shí)際拱壩為基礎(chǔ)，按照水力相似準(zhǔn)則建立三維正態(tài)物理模型，物理模型幾何比尺為1∶50。為研究閘墩迎水面不同的角度對(duì)拱壩挑流的水力特性影響程度，以該拱壩為例，通過(guò)CAD建立三維數(shù)學(xué)模型，將所研究的水力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)計(jì)算，三維數(shù)學(xué)模型見圖1。

圖1 三維模型

2.2 數(shù)學(xué)模型選擇

對(duì)于拱壩挑流的水氣二相流的沖刷問(wèn)題，F(xiàn)LOW-3d的模擬主要優(yōu)勢(shì)在于RNGk-ε模型對(duì)自由表面上擬合具有較好的連續(xù)性[6]，模型的網(wǎng)格劃分有結(jié)構(gòu)劃和非結(jié)構(gòu)劃形式，本文主要選擇較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)劃網(wǎng)格劃分方法，對(duì)于模擬精度較高的閘墩區(qū)域采用圈套加密網(wǎng)格，模型單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)為1 m，網(wǎng)格總數(shù)約500×104個(gè)。

2.3 控制方程

Flow-3d軟件主要是通過(guò)數(shù)學(xué)迭代方程式將復(fù)雜的水力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)計(jì)算，因此對(duì)于迭代方程的選擇也是很重要的，本文主要的迭代方程式如下：

連續(xù)方程：

運(yùn)量方程：

紊動(dòng)能k方程：

式中：ui為XYZ3個(gè)方向的流速分矢量；Ai和Aj為XYZ3個(gè)方向上流體的面積分?jǐn)?shù)；gi為XYZ3個(gè)方向上的流體的重力加速度；fi為3個(gè)方向上的流體的黏滯力；Vf為流體的體積分?jǐn)?shù)；ρ為該流體密度；p為作用在流體上壓力；k為流體紊動(dòng)能；μ，μt則分別為流體動(dòng)力黏滯系數(shù)和紊動(dòng)黏滯系數(shù)；Cε1，Cε2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)[7]。

2.4 邊界及初始條件設(shè)置

邊界條件：拱壩上游設(shè)置流量邊界且控制初始水位，拱壩下游河道出口界面為自由出流，整個(gè)模型的正上方與大氣接觸故設(shè)置為大氣壓力邊界，模型正底部設(shè)置為固體邊界。

初始條件：拱壩挑流上游初始水位為80 m，拱壩下游初始水位為30 m；模擬的整個(gè)過(guò)程給定流量Q=1 200 m3/s，初始步長(zhǎng)S=0.01 s。

2.5 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建的數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)方程選擇、初始條件設(shè)定的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬結(jié)果與拱壩正常水位同等流量運(yùn)行條件下的水力參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，主要驗(yàn)證閘孔流速與挑流水面線具體結(jié)果，見表1、圖2。

表1 拱壩閘孔流速

表1是Q=1 200 m3/s時(shí)拱壩挑流3個(gè)閘孔的平均流速，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較分析，誤差范圍為2.13%～2.70%，誤差相對(duì)較??；將拱壩挑流水面線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制在流態(tài)的云圖上，見圖2。由圖2可知，實(shí)測(cè)水面線與數(shù)值模擬值基本吻合，因此所建數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確可靠，可以研究本文所提出的閘墩引水面角度優(yōu)化比選。

圖2 水面線

3 數(shù)值模擬分析

為研究閘墩迎水面的不同角度對(duì)拱壩挑流的水力特性影響，本文主要對(duì)3種不同角度的閘墩迎水面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)對(duì)閘孔流速、閘孔壓強(qiáng)、挑流水面線、下游流速進(jìn)行重要的水力參數(shù)分析。閘墩迎水面角度模型見圖3。

圖3 3種角度閘墩迎水面模型

3.1 閘孔流速

不同引水面角度的閘墩水流流態(tài)和速度在閘孔處將會(huì)發(fā)生變化，為研究3種不同角度迎水面閘墩閘孔流速的差別，將數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 拱壩閘孔流速

由表2可知， 閘墩引水面角度不同3個(gè)閘孔的平均流速在2#閘孔處最大，相對(duì)50°引水面閘墩的閘孔平均流速較40°和60°小。閘孔平均流速受閘墩前端與水流接觸面積及閘墩引水面角度共同影響，一方面在一定角度范圍內(nèi)，閘孔平均流速隨著角度的增加而減小；另一方面60°，50°，40°閘墩前端與水流接觸面積依次增大，隨著接觸面積的增加水能與閘墩磨損消耗越大，能量一定消耗越大平均流速越小。在50°相比40°，受到閘墩迎水面角度影響比閘墩前端與水流接觸面積影響大，因此水流在50°閘孔處平均流速較小。50°相比 60°，受到閘墩前端與水流接觸面積影響比閘墩迎水面角度影響大，因此水流在50°閘孔處平均流速較小。綜上所述，50°引水面閘墩對(duì)水流阻礙和影響相對(duì)較小。

3.2 挑流水面線

拱壩挑流水面線受邊墻、流量、水位、閘墩等多種因素的影響，本文在此主要考慮閘墩的迎水面角度變化對(duì)其產(chǎn)出的變化。數(shù)學(xué)模擬3種引水面角度閘墩的拱壩挑流情況，通過(guò)后處理軟件Tecplot將模擬的云圖后處理，具體見圖4、表3。

圖4 各工況閘孔水面線

表3 特征點(diǎn)水舌厚度

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)圖4中的1-1，2-2，3-3三處的挑流水舌進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由表3可知，閘墩引水面角度不同3個(gè)閘孔的水舌厚度呈先減小后增大趨勢(shì)，相對(duì)50°引水面閘墩的1-1、2-2、3-3三處挑流水舌較40°和60°的薄。由于50°引水面閘墩處水流沖刷較小，在水流流量守恒下，在接近閘墩挑流面中下段部分時(shí)由于能量與水流變化，50°閘墩水流水舌擴(kuò)散程度較40°和60°閘墩水流水舌要大，因此相對(duì)挑流面中下段部分50°引水舌厚度薄。

3.3 下游平面流速

對(duì)于拱壩水氣兩相流沖擊的水力學(xué)問(wèn)題，下游的流速分布情況是比較重要的參數(shù)，這不僅僅影響下游河道消能措施的選擇，也影響拱壩及兩岸邊坡的穩(wěn)定性。為此本文對(duì)3種引水面角度閘墩的拱壩挑流對(duì)下游流速的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)0rigin軟件對(duì)數(shù)值下游水位H=25 m處進(jìn)行切片處理，具體見圖5。

圖5 下游平面流速

圖5中，各個(gè)角度的引水面閘墩下游水面流速最大均為20 m/s。由于引水面閘墩對(duì)水流流動(dòng)和形態(tài)有極大的影響，相對(duì)50°引水面閘墩對(duì)下游河道的沖刷影響比40°和60°的小， 同時(shí)50°引水面閘墩的下游河道流速最大值分布區(qū)域較小，對(duì)下游河道沖刷影響較小。

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)Flow-3d軟件建立準(zhǔn)確可靠的數(shù)學(xué)模擬，可以研究復(fù)雜的水力學(xué)問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于方案優(yōu)化及比選準(zhǔn)確可靠，經(jīng)濟(jì)快速。

2) 通過(guò)數(shù)學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，3種不同角度的引水面閘墩主要影響較大的是閘孔流速及下游河道平面流速極大值區(qū)域分布情況，對(duì)水舌厚度影響較小。

3) 各個(gè)角度的引水面閘墩下游水面流速最大均為20 m/s，且50°引水面閘墩的對(duì)下游河道的沖刷影響比40°和60°的小， 同時(shí)50°引水面閘墩的下游河道流速最大值分布區(qū)域較小，對(duì)下游河道沖刷影響較小。