導(dǎo)流洞進(jìn)口殘埂對過流能力的影響數(shù)值模擬研究

胡海松

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

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，在水利工程中采取的各類截流措施以及施工方法，都在保證施工可行的基礎(chǔ)上增加經(jīng)濟(jì)效益。對于前期施工所修建的施工導(dǎo)流圍堰殘埂一般都是拆除，但是隨著施工過程蓄水及施工結(jié)束一部分圍堰殘埂已經(jīng)被水體覆蓋，進(jìn)行水下拆除技術(shù)復(fù)雜。一些學(xué)者通過對導(dǎo)流洞截流殘埂的拆除對截流施工的影響，發(fā)現(xiàn)對于正在截流施工的水位有一定影響，導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰殘埂在一定程度上增加了截流難度且對過流能力的影響較大[1-4]。為此，本文通過建立數(shù)學(xué)模擬研究導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰殘埂高度對過流能力的影響，為類似的工程修建及研究提供理論指導(dǎo)及基礎(chǔ)。

2 工程概況

某工程主要建筑物為混凝土重力壩，左岸為底下引水發(fā)電系統(tǒng)組成的1等小(Ⅰ)型工程，該工程采用河床截流和右岸設(shè)計(jì)導(dǎo)流洞進(jìn)行施工導(dǎo)流，導(dǎo)流隧洞長度約1 500 m，進(jìn)口最低高程為1 400 m，最高高程為1 450 m，上游圍堰為左窄右寬，圍堰的上游邊坡比為1∶1，導(dǎo)流洞為方圓型斷面，斷面尺寸長為15 m，寬為20 m，頂拱中心角為120°。見圖1。

圖1 導(dǎo)流隧洞平面布置

3 數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證

3.1 控制方程

為研究復(fù)雜水流交匯和波動情況，本文控制方程選擇N-S方程為紊流模型，湍流模型的理論基礎(chǔ)是脈動方程和雷諾平均運(yùn)動方程，其提供了一整套模型模型假設(shè)理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，從而建立起一組封閉方程組，這個方程組可以用來描寫湍流平均量?？刂品匠炭杀硎救缦拢?/p>

式中：u，v，w分別為相應(yīng)坐標(biāo)系XYZ軸的3個方向的速度；Ax，Ay，Az分別為相應(yīng)坐標(biāo)系XYZ軸3個方向可流動流體的面積分?jǐn)?shù)大小;VF為可流動流體的體積分?jǐn)?shù)；ρ為該流體密度；Gx，Gy，Gz分別為流體在相應(yīng)坐標(biāo)系XYZ軸3個方向的重力加速度；fx，fy，fz分別為相應(yīng)應(yīng)坐標(biāo)系XYZ軸3個方向的黏滯力[5]。

3.2 自由表面追蹤方法

在水利工程研究領(lǐng)域?qū)λ髯杂杀砻娴淖粉櫴菑?fù)雜過程，而對自由表面流體的模擬也是能否精確模擬水流的關(guān)鍵技術(shù)。由于VOF對水流自由表面的模擬具有間短、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，因此本模型選擇VOF方法對自由表面位置追蹤進(jìn)行鎖定。VOF方法在處理水流交匯和波動自由液面的等現(xiàn)象具有較高的準(zhǔn)確度，并且所需計(jì)算機(jī)的運(yùn)行內(nèi)存要求不高。在F函數(shù)中，對于F=1，表示計(jì)算模型的單元網(wǎng)格充滿流體；對于F=0，表示計(jì)算模型的單元網(wǎng)格不存在流體；對于F屬于0～1，表示計(jì)算模型的單元網(wǎng)格內(nèi)被流體部分充滿，即存在自由表面液體[5]。

3.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

整個計(jì)算模型坐標(biāo)以導(dǎo)流洞進(jìn)口水流方向?yàn)閄正方向，垂直X方向上為Y方向，高度方向?yàn)閆方向。由于整個模型的計(jì)算流域較大，在本文主要研究部位進(jìn)行加密處理，因此需要對模型進(jìn)行分塊處理。本模型共分為3個網(wǎng)格塊，第一段為導(dǎo)流洞進(jìn)口直線段范圍為x：0～400 m，y：50～150 m，z：0～50 m；第二段網(wǎng)格塊為導(dǎo)流洞折線段范圍為x：400～700 m，y：1 000～500 m，z：0～50 m。第三段網(wǎng)格塊為導(dǎo)流洞出口和下游圍堰段范圍為x：700～900 m，y：500～1 000 m，z：0～50 m。模型整體采用結(jié)構(gòu)化均勻網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約500萬。

本模型邊界條件上游設(shè)置體積流量邊界，模型上方設(shè)置為大氣邊界，模型的下游出口設(shè)置為壓力邊界，模型的其他部位設(shè)置為固壁邊界。

3.4 數(shù)值模型驗(yàn)證

本文主要把截流合攏時的上游流量800 m3/s作為本文計(jì)算的流量條件，為驗(yàn)證建立的數(shù)值模型對本文導(dǎo)流洞進(jìn)口殘埂對過流能力影響的數(shù)值模擬研究，現(xiàn)對導(dǎo)流洞上游來流量Q=800 m3/s且對應(yīng)下游尾水位為250 m進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將模擬計(jì)算的數(shù)值與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。表1為導(dǎo)流洞無殘埂時泄流時進(jìn)口水位和進(jìn)口平均流速的數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較。

表1 計(jì)算值與模型試驗(yàn)

由表1可知，模型計(jì)算的泄流能力比模型試驗(yàn)值稍小，導(dǎo)流洞進(jìn)口水位高度相差很小，誤差僅1.3%，對于導(dǎo)流洞進(jìn)口平均流速相差也相對較小，誤差僅為2.4%，數(shù)值模擬計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合，因此所建立的數(shù)學(xué)模型可以研究本文的內(nèi)容。

4 導(dǎo)流洞進(jìn)口殘埂對過流能力的影響

為研究進(jìn)口圍堰殘埂對導(dǎo)流洞過流能力影響，本文主要建立3種不同高度的導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰殘埂模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，高度分別為H=1，3，5 m。

4.1 水 位

導(dǎo)流對水位要求極高，水位波動和較高都將影響導(dǎo)流洞的過流能力。為此，本文在上游來水流量為800 m3/s情況下，對導(dǎo)流洞圍堰殘埂對導(dǎo)流洞進(jìn)口水位的影響進(jìn)行橫縱向研究。見表2。

表2 進(jìn)口殘埂圍堰對導(dǎo)流洞水位影響比較

由表2可知，導(dǎo)流洞進(jìn)口水位隨著進(jìn)口殘埂高度的增加而增加，隨1～3 m水位差值增加的幅度較小，相比3～5 m水位差值增加幅度較大，由此可知導(dǎo)流洞進(jìn)口殘埂對導(dǎo)流洞進(jìn)口水位有一定的影響，并且隨著殘埂的高度增加差值也越大。

4.2 流 速

導(dǎo)流洞的進(jìn)口流速是影響導(dǎo)流效果的關(guān)鍵參數(shù)，為研究導(dǎo)流洞上游圍堰殘埂對導(dǎo)流洞進(jìn)口流速的影響，本文針對3種圍堰殘埂高度的導(dǎo)流洞進(jìn)口流速進(jìn)行數(shù)值模擬，具體見圖2。

圖2為導(dǎo)流洞進(jìn)口1，3，5 m高度圍堰殘埂縱剖面流速圖。由圖2可知，在導(dǎo)流洞進(jìn)口殘埂圍堰為1 m時，殘埂表面最大流速為6 m/s；在導(dǎo)流洞進(jìn)口殘埂圍堰為3 m時，殘埂表面最大流速為7 m/s；在導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰殘埂為5 m時，殘埂表面最大流速為9 m/s。3種情況下的其他部位流速在2.0～7.0 m/s范圍波動，相差不大。

圖2 導(dǎo)流洞進(jìn)口殘埂縱剖面流速等值線

5 結(jié) 論

1) 通過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算與物理模型試驗(yàn)可知，F(xiàn)low-3d軟件在模擬復(fù)雜的水流變化具有較高的準(zhǔn)確性和高效性，尤其是在方案設(shè)計(jì)和優(yōu)選方面經(jīng)濟(jì)可靠。

2) 導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰殘埂對導(dǎo)流洞的過流能力有一定的影響，隨著導(dǎo)流洞進(jìn)口殘埂圍堰高度的增加，相對進(jìn)口水位就越高，水位越高也進(jìn)一步降低過流的能力。相對導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰殘埂的高度對導(dǎo)流洞進(jìn)口的流速影響較大，隨著進(jìn)口圍殘埂的高度增加，進(jìn)口流速也隨之增加，尤其是在圍堰殘埂處值為9 m/s。

3) 對于水利工程的導(dǎo)流洞修建后，相對導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰殘埂對導(dǎo)流洞的進(jìn)口流速和水位有一定的影響，建議在下游截流時拆除以保證導(dǎo)流洞進(jìn)口流速和水位相對穩(wěn)定。