導(dǎo)流洞改建泄洪洞出口跌坎消力池水平入流水力特性數(shù)值模擬研究

刁 奕，楊思遠(yuǎn)，楊 敏

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 雅安，625014)

1 緒言

為了避免傳統(tǒng)底流消力池臨底水流流速過(guò)高引起的沖刷甚至空蝕破壞問(wèn)題，近年來(lái)，不少工程將入流處設(shè)計(jì)成一定高度的跌坎，形成跌坎入流消力池，并已有一些研究成果[1-7]。跌坎消力池體型的確定以往主要是通過(guò)大量的模型試驗(yàn)試錯(cuò)進(jìn)行對(duì)比研究，從中優(yōu)選合適方案推薦工程實(shí)施。跌坎消力池的入流角度對(duì)池內(nèi)水流流態(tài)、底板臨底流速的降低幅度和消力池消能效果有直接影響，成為跌坎消力池體型設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)。本文結(jié)合某中型水利工程導(dǎo)流洞改建泄洪洞，出口采用水平入流跌坎消力池消能進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究。分析了消力池的水流流態(tài)、消力池底板壓力、流場(chǎng)、臨底流速、紊動(dòng)能分布等指標(biāo)。

2 工程基本概況

本文研究的導(dǎo)流洞來(lái)源于某中型水利工程。校核工況采用1000年一遇(P=0.1%)洪水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)流量Q=400m3/s，庫(kù)水位779m，導(dǎo)流洞寬度8m，與新建泄洪洞同軸線布置，與前段新建的泄洪洞采用龍?zhí)ь^方式結(jié)合。泄洪洞由進(jìn)水渠道、隧洞段組成，隧洞橫剖面為城門(mén)洞形。改建后的泄洪洞在出口設(shè)置跌坎消力池進(jìn)行消能，泄洪洞出口入消力池寬度8m，消力池跌坎高度確定為2m，消力池底板高程736.75m，長(zhǎng)度45m，尾坎高度為5.5m直坎。以校核標(biāo)準(zhǔn)洪水工況來(lái)確定跌坎消力池的體型。

3 數(shù)學(xué)模型

本文數(shù)值計(jì)算模型采用雙方程模型[8]，控制微分方程有：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

紊動(dòng)能k方程：

(3)

紊動(dòng)能耗散率ε方程：

(4)

式中，ρ和μ分別代表計(jì)算單元中水氣容積占比加權(quán)后的二相流平均密度及分子粘性系數(shù)；μt為紊流粘性系數(shù)

ρ=αwρw+(1-αw)ρa(bǔ)

(5)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(6)

式中，αw為水的容積分?jǐn)?shù)，單元完全被水充滿時(shí)，αw=1；單元完全無(wú)水時(shí)，αw=0；單元部分有水，αw值則介于0和1之間；ρw和ρa(bǔ)表示水和氣的密度；μw和μa代表水和氣的分子粘性系數(shù)。

4 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

本文計(jì)算網(wǎng)格主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，只在實(shí)用堰段和洞與消力池銜接段邊界較復(fù)雜的局部區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。消力池網(wǎng)格尺寸為0.3m～0.5m，其余區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.5m～0.8m，總網(wǎng)格量均控制在98萬(wàn)左右；進(jìn)口設(shè)置為水相速度進(jìn)口邊界，頂上與大氣相通的邊界設(shè)置為開(kāi)敞邊界；出口控制斷面按計(jì)算工況對(duì)應(yīng)的下游水位進(jìn)行水位控制。

5 數(shù)值模擬成果分析

圖1-圖5為水平入流情況下消力池內(nèi)水流流態(tài)、底板壓強(qiáng)、流場(chǎng)、臨底流速以及紊動(dòng)能分布?？梢钥闯?，水躍在跌坎入流處產(chǎn)生，由于水流水平入流，水流水平動(dòng)量大，且高流速主流偏上消力池上層，將水體向下游平推的作用明顯，消力池水流流態(tài)呈類似面流特征，水面波動(dòng)較大，影響較遠(yuǎn)，池內(nèi)中后部樁號(hào)295m至消力池尾坎前壅水明顯；消力池底板最大臨底流速在7m/s左右，出現(xiàn)在樁號(hào)290m～310m范圍內(nèi)，底板動(dòng)水壓力較小，消能主要集中在消力池前部。從本工況計(jì)算結(jié)果可以看出，水平入流對(duì)降低消力池底板臨底流速是有利的，但消力池內(nèi)水流波動(dòng)大，消力池長(zhǎng)度可能需要適當(dāng)增加，需要相對(duì)較長(zhǎng)的距離才會(huì)明顯減小水流波動(dòng)。

圖1 水平入流消力池水流流態(tài)(y=0)

圖2 水平入流消力池底板壓力(y=0)

圖3 水平入流消力池水流流場(chǎng)(y=0)

圖4 水平入流消力池臨底流速(Z=736.80m)

圖5 水平入流消力池紊動(dòng)能(y=0)

6 結(jié)論

本文對(duì)某中等水頭具有代表性的導(dǎo)流洞改建泄洪洞出口跌坎消力池在水平入流角度下的消力池泄洪消能水力特性進(jìn)行了三維紊流數(shù)值模擬研究，得到了消力池水流流態(tài)(水面線)、底板壓力、流場(chǎng)、臨底流速以及紊動(dòng)能分布等水力特性參數(shù)。通過(guò)成果分析可以看出，水平入流有利于明顯降低消力池底板臨底流速，但消力池內(nèi)水流波動(dòng)大，影響距離相對(duì)較遠(yuǎn)，流態(tài)不穩(wěn)定。結(jié)合跌坎高度、消力池長(zhǎng)度、尾坎高度等體型參數(shù)、水流流態(tài)、底板對(duì)流速的承受能力以及工程投資綜合平衡考量，導(dǎo)流洞改建泄洪洞出口跌坎消力池入流角度以小俯角入流為宜。