基于數(shù)值模擬的某工程溢洪道方案比選

李桂青 桑林瀚 禹勝穎 呂會(huì)嬌

隨著數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的不斷完善，利用各類流體計(jì)算軟件來(lái)分析流場(chǎng)特性已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。相比于物理模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬具有適應(yīng)能力強(qiáng)、提供細(xì)膩的流場(chǎng)特征值、取得成果迅速、便于方案比選、花費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)。本文采用FLOW-3D 軟件對(duì)某工程溢洪道不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選研究。

1 工程概況

某工程溢洪道分2 種方案布置，分別為陡槽方案和比選方案。陡槽方案溢洪道泄水凈寬度63 m，堰頂高程1 810.80 m。上部布置交通橋，橋?qū)?.5 m，設(shè)橋墩2 個(gè)，每個(gè)寬1.5 m。上游為引水渠，長(zhǎng)約45 m，控制段長(zhǎng)11.6 m，下接泄水槽，泄水槽長(zhǎng)度65 m，坡度i=36.4%，然后接挑流底坎，挑流消能。比選方案溢洪道泄水凈寬度46 m，堰頂高程1 810.80 m。下接泄水槽長(zhǎng)度為102.76 m，泄水槽分為三部分：緩坡段，坡度i=4.6%；弧線段，轉(zhuǎn)彎半徑50 m；陡坡段，坡度i=1∶1.5。泄水槽后接挑流底坎，挑流消能。陡槽方案和比選方案具體布置如圖1 所示。

圖1 溢洪道剖面圖

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本次數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域主要包括上游庫(kù)區(qū)、溢洪道引水渠、控制段、泄槽段、挑坎段及尾水渠，計(jì)算模型按照比尺1∶1 建立。網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，上游庫(kù)區(qū)網(wǎng)格大小為1 m，在引水渠網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格大小為0.5 m，自控制段至尾水渠，網(wǎng)格大小采用0.5 m×0.5 m×0.3 m。網(wǎng)格總數(shù)約1 100 萬(wàn)個(gè)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 泄流能力

陡槽及比選方案在不同水位工況下的泄流能力曲線如圖2 所示，不同水位下陡槽及比選方案的計(jì)算流量均略大于設(shè)計(jì)流量。

圖2 陡槽及比選方案泄流能力曲線

3.2 水面線

本次分析主要針對(duì)校核洪水位工況，該工況上游水位1 816.40 m，陡槽方案計(jì)算流量1 773.14 m3/s，比選方案計(jì)算流量1 741.02 m3/s。

陡槽方案及比選方案泄洪中心線及閘墩中心線沿程水面線分布如圖3 所示，圖中實(shí)線為泄洪中心線沿程水面線，虛線為閘墩中心線沿程水面線。陡槽方案閘墩末端水流出現(xiàn)脫壁，隨著水流匯合，閘墩中心線上水深增大，之后水面線分布與泄洪中心線基本相近，由于泄槽段寬度不變，水深沿程變化不大。比選方案水流在收縮段從兩側(cè)邊墻偏向中心，并在收縮段下游發(fā)生交匯，泄洪中心線及閘墩中心線上的水面線受邊墻收縮的影響，先升高后下降。

圖3 泄洪中心線及閘墩中心線沿程水面線

3.3 流速

校核洪水位工況陡槽方案泄洪中心線上堰頂臨底流速為9.49 m/s，上下游堰面的臨底流速均小于堰頂。水流進(jìn)入泄槽段后，流速逐漸增大，泄槽段末端臨底流速為20.57 m/s。進(jìn)入反弧段，臨底流速先減小后增大，挑坎出口臨底流速為22.04 m/s。閘墩中心線上臨底流速分布與泄洪中心線基本相同，泄槽段末端底流速20.36 m/s，挑坎出口臨底流速22.44 m/s。

校核洪水位工況比選方案泄洪中心線上堰頂臨底流速為8.92 m/s，上下游堰面的臨底流速均小于堰頂。泄洪中心線上水深在收縮段末端開(kāi)始壅高，因此，該處臨底流速較小，為5.90 m/s。自弧線段開(kāi)始，泄槽坡度逐漸增大，流速迅速增加，至陡坡段中間位置泄洪中心線上臨底流速為19.91 m/s，閘墩中心線上臨底流速為19.82 m/s。進(jìn)入挑流反弧段，臨底流速先減小后增大，泄洪中心線上挑坎出口臨底流速為22.01 m/s，閘墩中心線上挑坎出口臨底流速21.82 m/s。陡槽方案及比選方案泄洪中心線沿程流速分布矢量圖如圖4 所示。

3.4 沿程時(shí)均壓力

校核洪水位工況陡槽方案底板泄洪中心線及閘墩中心線沿程壓力分布相近。駝峰堰堰頂壓力較小，但未出現(xiàn)負(fù)壓。泄槽段壓力呈下降趨勢(shì)，至反弧段壓力開(kāi)始上升，最大壓力出現(xiàn)在挑坎反弧段底部。邊墻壓力沿程變化規(guī)律與底板相近。在堰頂及泄槽段末端位置邊墻壓力較小，但未出現(xiàn)負(fù)壓，在挑坎反弧段底部位置邊墻壓力達(dá)到最大。

圖4 泄洪中心線沿程流速分布矢量圖

校核洪水位工況比選方案底板泄洪中心線及閘墩中心線沿程壓力分布相近。駝峰堰堰頂壓力較小，但未產(chǎn)生負(fù)壓。泄洪中心線上兩側(cè)水流交匯位置水面壅高，壓力較大。水流進(jìn)入弧線段，壓力開(kāi)始減小，在弧線段末端產(chǎn)生負(fù)壓。堰面最大壓力出現(xiàn)在挑坎反弧段底部。邊墻壓力沿程變化規(guī)律與底板相近。在堰頂及弧線段末端位置邊墻壓力較小，但未出現(xiàn)負(fù)壓。邊墻壓力在挑坎反弧段底部位置達(dá)到最大。陡槽方案及比選方案底板及邊墻沿程壓力分布如圖5 所示。

圖5 底板及邊墻時(shí)均壓力分布

3.5 流態(tài)及挑距

陡槽方案和比選方案在不同工況下，泄流孔口入流較為平順，水流經(jīng)駝峰堰沿泄槽段下泄，在出口由挑流鼻坎挑出。比選方案中水流受收縮段影響在中心交匯，水面壅高，相比陡槽方案水面波動(dòng)較大。陡槽方案及比選方案在校核洪水位下的流態(tài)如圖6、7 所示，兩種方案在不同工況下的水舌挑距見(jiàn)表1。

圖6 校核洪水位下陡槽方案流態(tài)

圖7 校核洪水位下比選方案流態(tài)

陡槽方案挑坎出口挑角為30°，比選方案挑坎出口挑角為45°，比選方案挑角較大，且兩種方案在挑坎出口處流速大小相近，因此，比選方案水舌挑距更遠(yuǎn)。不同工況下，比選方案受邊墻收縮的影響，水面壅高，挑坎出口水深均大于陡槽方案，挑距范圍也較大。

表1 水舌挑距

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算表明在陡槽方案和比選方案下，溢洪道泄流能力的數(shù)值模擬值均大于設(shè)計(jì)計(jì)算值，滿足工程的泄洪要求。本文詳細(xì)分析比較了兩個(gè)方案在校核工況下的水面線、流速、時(shí)均壓力分布、流態(tài)及挑距等的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可為設(shè)計(jì)人員在方案比選時(shí)提供有價(jià)值的參考。