過(guò)渡階梯臺(tái)階組合對(duì)消力池臨底流速分布及消能特性影響

王強(qiáng)

（銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州 銅仁 554300）

隨著現(xiàn)代水利事業(yè)的快速發(fā)展，為解決高水頭大單寬流量泄洪和消能問(wèn)題，我國(guó)水利工作者提出將寬尾墩、階梯溢流壩和消力池等泄洪消能設(shè)施有機(jī)結(jié)合，形成寬尾墩+階梯溢流壩+消力池的一體化聯(lián)合消能工，并在水工高壩實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，如貴州的思林水電站和索風(fēng)營(yíng)水電站，福建的水東水電站，云南的大朝山水電站和阿海水電站等。這種聯(lián)合消能方式充分發(fā)揮寬尾墩和階梯溢流壩消能的優(yōu)點(diǎn)，即利用階梯溢流壩進(jìn)一步增進(jìn)了寬尾墩的消能率，又通過(guò)寬尾墩后形成的無(wú)水區(qū)從水舌底部向階梯壩面通氣從而避免壩面產(chǎn)生空蝕空化破壞，使階梯溢流壩向高水頭大單寬流量方向發(fā)展，工程實(shí)踐中通常在寬尾墩與階梯溢流壩間設(shè)置較大尺寸的階梯連接方式，但該連接方式對(duì)一體化消能工中消力池底板臨底流速分布及消能特性不夠清楚。故本文基于阿海電站溢流表孔一體化消能工，在寬尾墩與階梯溢流壩之間增設(shè)3 種不同組合的過(guò)渡階梯與原工況共計(jì)4 種方案，采用三維數(shù)值模擬方法，分析在高水頭大單寬流量條件下，探討不同臺(tái)階組合的過(guò)渡階梯對(duì)一體化消能工消力池底板臨底流速及消能特性的影響。

一、研究方案

本文基于阿海電站溢流表孔，采用FLUENT 軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，在寬尾墩與階梯溢流壩之間增設(shè)3種不同臺(tái)階組合的過(guò)渡階梯連接形式與原工況共計(jì)4種方案，即增設(shè)1 個(gè)2m×1.5m（高×寬）臺(tái)階組成的過(guò)渡階梯為方案二，2 個(gè)2m×1.5m（高×寬）臺(tái)階組成的過(guò)渡階梯為方案三，3 個(gè)2m×1.5m（高×寬）臺(tái)階組成的過(guò)渡階梯為方案四，原工況不設(shè)過(guò)渡階梯為方案一共計(jì)4 種方案，原工況階梯溢流壩由29個(gè)尺寸為1m×0.75m(高×寬)的均勻臺(tái)階構(gòu)成，對(duì)比分析過(guò)渡階梯不同臺(tái)階組合方案在校核洪水標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)一體化消能工底板臨底流速及消能特性的影響。

二、計(jì)算域模型網(wǎng)格劃分

本次三維數(shù)值模型基于阿海水電站左岸溢流表孔，計(jì)算域模型依次由上游水庫(kù)、寬尾墩、階梯溢流壩、消力池和尾砍等部分構(gòu)成，為確保數(shù)值模擬計(jì)算精度，提高網(wǎng)格質(zhì)量，全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并遵循疏密適當(dāng)?shù)脑瓌t，將寬尾墩、過(guò)渡階梯和階梯溢流壩區(qū)域網(wǎng)格適度加密。為減少運(yùn)算量提高模擬運(yùn)算速度，本次選取阿海電站左岸5 溢流表孔的中孔作為數(shù)值模擬對(duì)象，模型整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1 所示。坐標(biāo)選取順?biāo)鞣较驗(yàn)閤 軸，壩軸線方向?yàn)閥 軸，豎直方向?yàn)閦 軸。選取上游水庫(kù)進(jìn)水口面、堰頂曲面的水平切面和溢流表孔中心縱剖面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。

三、數(shù)學(xué)模型

本文采用水汽兩相流VOF 計(jì)算方法的三維RNG k-ε 湍流數(shù)值模型，速度與壓力采用PISO 耦合的算法方式，利用幾何重建格式對(duì)水氣交界面附近進(jìn)行插值的非恒定流迭代求解的三維數(shù)值模擬方法。VOF 方法對(duì)水氣二相流進(jìn)行湍流數(shù)值模擬具有較高的精確性，它是由Hirt[7]首先提出的，該方法適用于互不穿透的兩種或兩種以上流體界面間的追蹤計(jì)算。

四、消力池臨底流速分布

在大壩設(shè)計(jì)時(shí)，泄洪消能作為泄水建筑物主要承擔(dān)的任務(wù)之一，這就要求在安全宣泄洪水的同時(shí)，嚴(yán)格控制下泄洪水對(duì)壩面和下游基坑的沖刷，防止壩體破壞和壩基失穩(wěn)。尤其對(duì)于高水頭、大單寬流量的泄洪工程，存在消力池底板臨底流速較大，抗沖保護(hù)難度大，故本文對(duì)比分析不同臺(tái)階組合的過(guò)渡階梯對(duì)一體化消能工消力池底板臨底流速分布的影響，各方案消力池臨底流速分布基本一致，在消力池前端，水流從急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鳎滦顾髟诖颂幃a(chǎn)生水躍，臨底流速迅速減??；在消力池中部，流速減小緩慢，在消力池末端，由于尾坎作用，臨底流速隨之迅速減小。其中方案一消力池最大臨底流速為28.89m/s，方案二為27.31m/s，方案三為26.37m/s，方案四為26.72m/s，各方案最大臨底流速均位于樁號(hào)0+105 附近；方案一最小臨底流速為7.71m/s；方案二為6.87m/s；方案三為5.95 m/s；方案四為6.31 m/s，均位于消力池末端。由2 個(gè)2m×1.5m（高×寬）臺(tái)階組成的過(guò)渡階梯（方案三）消力池臨底流速最小，有助于消力池的抗沖保護(hù)。

五、消力池內(nèi)湍動(dòng)能k 及湍流耗散率ε 分布

本文選取消力池y=0 剖面湍動(dòng)能k 及湍流耗散率ε 等值線進(jìn)行分析，各方案湍動(dòng)能k 及湍流耗散率ε 分布規(guī)律基本一致，湍動(dòng)能k 及湍流耗散率ε 主要分布在消力池前端的底部和中部，研究表明水流進(jìn)入消力池在消力池前端形成水躍消能，水躍區(qū)的水流可以分成兩部分，一部分是急流沖入緩流所激起的表面旋滾，翻騰滾動(dòng)，大量摻氣，形成表面旋滾水流；另一部分是旋滾水流下方的主流，流速由快變慢，水深由小變大。在主流與表面旋滾水流的交界面上流速梯度很大，剪切作用很強(qiáng)，湍動(dòng)摻混極為強(qiáng)烈，兩者不斷進(jìn)行質(zhì)量交換，產(chǎn)生大量小漩渦，摩擦混摻作用強(qiáng)烈，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化并實(shí)現(xiàn)消能的目的。故在主流區(qū)域及主流與表面旋滾水流的交界面區(qū)域湍動(dòng)能k 和湍流耗散率ε 較大，為湍動(dòng)能k 和湍流耗散率ε 在消力池內(nèi)的主要分布區(qū)域。

六、結(jié)論

（一）各方案消力池臨底流速分布基本一致，在消力池前端，水流從急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鳎R底流速迅速減小，在消力池中部，流速減小緩慢，在消力池末端，由于尾坎作用，臨底流速隨之迅速減小。其中由2 個(gè)2m×1.5m（高×寬）臺(tái)階組成的過(guò)渡階梯（方案三）消力池臨底流速最小，有助于消力池的抗沖保護(hù)。

（二）各方案消力池內(nèi)湍動(dòng)能k 及湍流耗散率ε 分布規(guī)律基本一致，主要分布在消力池前端的底部和中部，該區(qū)域?yàn)橹髁鲄^(qū)和主流與表面旋滾水流的交界面區(qū)域。