泄洪洞雙擴(kuò)型挑流消能水力特性數(shù)值計(jì)算

張一祁，謝 鋒，胡文竹，楊 帆

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000； 2.浙江水利與海洋工程研究所，杭州 310018)

1 研究背景

挑流消能作為一種常見的消能形式,是指在泄水建筑物末端設(shè)挑流鼻坎，把水流向下游按一定角度挑射，通過射流在空中的紊動、擴(kuò)散和摻氣作用，消除大部分能量，最后跌落到河槽中。挑流消能具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、消能效果好等特點(diǎn)[1]。挑流鼻坎常見的坎型有燕尾型挑坎、單擴(kuò)型挑坎、雙擴(kuò)型挑坎、連續(xù)型挑坎、斜尾型挑坎、長挑型挑坎等各種組合模式[2]。在我國已經(jīng)建成或在建的一大批水利工程，均采用了挑流消能的消能方式[3-5]。目前，已有的物理模型與數(shù)值模型較多，有較完善的理論和工程依據(jù)，如潘露等[6]通過調(diào)整優(yōu)化挑角大小及出口折線形的位置和形狀，良好地控制了主水舌落點(diǎn)，以適應(yīng)下游河道受限的泄水建筑物出口條件。薛宏程等[7]對狹窄河道水電工程溢洪道挑流消能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。穆亮等[8]進(jìn)行了水氣二相流相關(guān)研究。以往挑流消能技術(shù)研究主要依賴于物理模型試驗(yàn)，隨著數(shù)值模擬技術(shù)及計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，越來越多的研究者開始嘗試使用數(shù)值模型方法進(jìn)行研究[9-11]。數(shù)值模型的優(yōu)勢在于，當(dāng)改變工況和體型時只需要改變計(jì)算機(jī)中的參數(shù)，也不受時間和空間的約束，在挑流鼻坎相關(guān)研究領(lǐng)域作出了巨大貢獻(xiàn)，取得了不少的成果[12-18]。

本文著重研究雙擴(kuò)型鼻坎型式對水力特性的影響，雙擴(kuò)型鼻坎屬于擴(kuò)散式鼻坎的一種，在挑坎末端反弧段，兩側(cè)邊墻向外逐漸擴(kuò)大，使水舌在平面上擴(kuò)散。該型式具有使水流流態(tài)平順、擴(kuò)大水舌與空氣的接觸便于消能等優(yōu)點(diǎn)。本文采用三維數(shù)值模擬的研究方法，計(jì)算了不同流速、不同水位下的水舌挑距、水舌入水寬度、左岸右岸最大流速等，并對此進(jìn)行研究，提出了優(yōu)化改進(jìn)溢洪道挑流鼻坎體型的方案，采用三維數(shù)值模擬方法，分析了各工況下溢洪道出口處不同尺寸挑流鼻坎水舌、下游流態(tài)、入射水流對河床的沖擊作用和對水流挑距的影響，并最終選取效果最優(yōu)的方案。

2 工程概況與模型建立

2.1 工程概況

某水電站為Ⅰ等大(1)型工程，設(shè)計(jì)洪水位為827.83 m，壩身孔口設(shè)計(jì)泄洪流量24 361 m3/s，泄洪洞設(shè)計(jì)泄洪流量11 715 m3/s；校核洪水位為832.34 m，壩身孔口校核泄洪流量30 098 m3/s，泄洪洞校核泄洪流量12 250 m3/s。

水電站無壓泄洪直洞均布置在左岸，本文中3條泄洪洞均采用雙擴(kuò)型挑流鼻坎體型。

2.2 模型建立

為研究挑流鼻坎出水的水力特性，對其建立了三維模型，作為該河道的數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)。河道模擬范圍：上游保證來流平順，模擬總長約1 300 m。3個鼻坎從下游到上游依次編號為1#、2#、3#，三維模型與鼻坎標(biāo)號如圖1所示。

圖1 挑流鼻坎體型、河道三維模型Fig.1 Three-dimensional model of flip bucket shapeand river channel

2.2.1 測量位置

模型由10個測量斷面組成，每個測量斷面上有11個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)都有到河底的垂直線，垂直線的上、中、下各有1個測量點(diǎn)進(jìn)行流速測量,測量斷面及測點(diǎn)位置見圖2。其中斷面1位于河流上游，斷面10位于下游，10個斷面盡量沿河流均勻分布(由上游向下游依次編號1—10)，垂直線在斷面上均勻分布，如圖2所示。

圖2 測量斷面及測點(diǎn)位置Fig.2 Survey sections and location of survey points

2.2.2 邊界條件與網(wǎng)格設(shè)置

計(jì)算區(qū)域主要由出水處與河道組成，重點(diǎn)研究入水處的水力特性。對于河道來說，在正常流動狀態(tài)下，水體自上游流向下游，以河道為界，給定初始水位，給定流量，邊界采用無滑移條件；液面為自由表面。計(jì)算區(qū)域采用笛卡爾網(wǎng)格，由于空間過大，運(yùn)算時間過長，本文采用網(wǎng)格嵌套的設(shè)置方式，網(wǎng)格如圖3所示，通過平面以及縱剖面來研究挑流鼻坎及水舌的水力特征。設(shè)置完成后，挑流鼻坎處網(wǎng)格設(shè)置詳見圖3。參考文獻(xiàn)[19-21]布置方法，較好地平衡了計(jì)算精度與計(jì)算周期，布置網(wǎng)格尺寸為2.5～10 m。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置Fig.3 Setting of meshes in the computational domain

2.2.3 工況設(shè)置

本文共進(jìn)行了不同頻率、不同水位、不同泄流量下3組工況的計(jì)算，各工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

2.2.4 控制方程

三維水動力數(shù)學(xué)模型是水體流動過程的完整描述，主要控制方程如下。

連續(xù)方程：

(1)

水動力方程：

(2)

(3)

(4)

紊流模型采用RNGk-ε模型：

(5)

其中

(6)

式中:k為紊動動能；ε為紊動動能耗散率；p為壓強(qiáng)；u、v、w為x、y、z方向的流速；fx、fy、fz為x、y、z方向的體積力分量；υh、υt為水平方向以及垂向紊動黏性系數(shù)；t為時間；ρs為液體密度；δk為湍動能對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，默認(rèn)為1.0。

2.3 模型驗(yàn)證

為研究挑流鼻坎不同體型對挑流消能水力特性的影響，通過建立物理模型進(jìn)行模擬，采用該工程1∶200比尺的水工模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證對象。

由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和模型建立的準(zhǔn)確性都對模擬產(chǎn)生影響， 為此將數(shù)值模擬的結(jié)果和物理試驗(yàn)按照規(guī)程[22]換算為原型的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，取工況2下2#洞進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表2。

表2 水舌挑距計(jì)算值與試驗(yàn)值對比Table 2 Comparison of flip distance of water tonguebetween computation and test

內(nèi)、外緣的計(jì)算值由于VOF法本身的局限性及網(wǎng)格疏密等原因很難精確確定水舌入水點(diǎn)位置，誤差不可避免。但數(shù)值計(jì)算水舌挑距與模型試驗(yàn)實(shí)測挑距基本吻合，可為不同尾坎體型溢流壩挑流消能的相關(guān)研究與應(yīng)用提供一定的參考。

3 原方案試驗(yàn)結(jié)果及分析

出口挑坎原設(shè)計(jì)方案體型設(shè)置見圖4，具體參數(shù)如表3所示。

圖4 原方案鼻坎體型Fig.4 Bucket shape of the original scheme

表3 出口挑坎原設(shè)計(jì)方案鼻坎參數(shù)Table 3 Parameters of bucket in the original scheme

原設(shè)計(jì)方案斜切挑坎存在的主要問題有：① 1#洞噴出的水舌容易砸在河床河岸上；② 2#洞水舌也有部分落在河床河岸，對左岸河床及岸坡沖擊嚴(yán)重，故嘗試修改體型。中高水位中高泄水量下水舌對河岸沒有直接沖擊。數(shù)值模擬三維效果如圖5所示。原設(shè)計(jì)方案在小流量下尤為不利，小流量時挑坎左側(cè)水舌挑距過近，大流量時挑坎中部水舌挑距適當(dāng)。在各種工況下，3條水舌參數(shù)見表4。

圖5 原方案工況1數(shù)值模擬三維效果與局部放大Fig.5 Three-dimensional diagram of numericalsimulation of the original scheme with partialenlargement

表4 原方案出口挑流水舌參數(shù)Table 4 Parameters of water tongue at the outlet inthe original scheme

工況1時，1#洞挑距內(nèi)緣、外緣均<100 m，2#洞挑距內(nèi)緣<100 m，兩水舌砸岸，對下游河岸不利。經(jīng)分析后，考慮修改挑流鼻坎的結(jié)構(gòu)體型，以滿足消能和泄流的要求，因此將在下面提出優(yōu)化方案。

消費(fèi)的轉(zhuǎn)型升級無形中提升了生活質(zhì)量，因此人們對高品質(zhì)生活的追求促進(jìn)了新電商的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代下能清晰了解消費(fèi)群體的喜好，因此商戶能夠相對科學(xué)判斷消費(fèi)者的需求，從而為特定人群匹配相應(yīng)產(chǎn)品，從而降低成本同時還提高了服務(wù)質(zhì)量。

4 挑流鼻坎優(yōu)化方案

方案比選試驗(yàn)大致分為2個階段，第1階段主要目的是改善泄洪洞出口下游河道流態(tài)，減弱左岸流速；第2階段在綜合考慮各種問題的基礎(chǔ)上進(jìn)行，包括兩岸最大流速、水舌是否砸岸等問題。

挑流消能的關(guān)鍵是優(yōu)選出合適的挑距。定性來說，挑距越大,對防沖越有利,這樣的選擇對沖坑的沖擊效應(yīng)相應(yīng)較小。出口寬深比與弗勞德數(shù)、水舌挑角a和舌斗前緣長度對水舌的橫向擴(kuò)散均有影響?？梢钥闯鎏袅鞅强搀w型優(yōu)化可以從挑角入手進(jìn)行修改，而反弧半徑和反弧段長度同樣會影響到挑角。

在尋找、分析大量以往工程經(jīng)驗(yàn)和理論、實(shí)踐研究成果的基礎(chǔ)上，對挑流鼻坎進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要從以下方面進(jìn)行：①收窄出口處寬度；②加長挑流鼻坎長度；③調(diào)整挑流鼻坎反弧半徑。

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1

出口挑坎優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1體型設(shè)置見圖6，方案1具體挑坎參數(shù)見表5。

圖6 方案1鼻坎體型Fig.6 Bucket shape of scheme 1

表5 方案1鼻坎參數(shù)Table 5 Parameters of bucket in scheme 1

圖7 方案1工況1數(shù)值模擬三維效果與局部放大Fig.7 Three-dimensional diagram of numericalsimulation of scheme 1 with partial enlargement

數(shù)值模擬三維效果如圖7所示，可見水舌，挑距過短，1#洞與2#洞射出的水舌會落在下游河岸，對河岸穩(wěn)定性不利。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在工況1運(yùn)行條件下，1#洞出口挑流水舌挑距為86.8～93.6 m，2#洞出口挑流水舌挑距為98.7～129.6 m，<100 m時會沖砸岸坡，其余工況水舌挑距為200～230 m。方案1各種工況下，3條水舌參數(shù)見表6。

表6 方案1出口挑流水舌參數(shù)Table 6 Parameters of water tongue at the outlet inscheme 1

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2

圖8 方案2鼻坎體型Fig.8 Bucket shape of scheme 2

表7 方案2鼻坎參數(shù)Table 7 Parameters of bucket in scheme 2

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：在所有工況運(yùn)行條件下，挑流水舌挑距均>100 m，不沖砸岸坡，入水寬度為10～11 m；單洞水舌入水寬度為17.3～25 m。

數(shù)值模擬三維效果如圖9所示，可見水舌全部落入河流中，未直接對河岸造成嚴(yán)重的沖擊，說明此方案相對可行。方案2各工況下，3條水舌參數(shù)見表8。

圖9 方案2工況1數(shù)值模擬三維效果與局部放大Fig.9 Three-dimensional diagram of numericalsimulation of scheme 2 with partial enlargement

表8 方案2出口挑流水舌參數(shù)Table 8 Parameters of water tongue at the outlet inscheme 2

4.3 方案比較及推薦方案體型

原方案與兩修改方案均為雙擴(kuò)型，泄洪洞始放過程中水舌起跳前水流均不會淹沒洞口。結(jié)果顯示原方案在水舌入水處存在較大范圍的紊流對水流進(jìn)行擾動，并存在一定范圍的回流，經(jīng)過方案1和方案2的改善，擾動區(qū)域面積減小。數(shù)值模擬3個方案二維河道流態(tài)及流速效果對比如圖10所示。

圖10 二維河道流態(tài)及流速效果對比Fig.10 Comparison of two-dimensional river flow patternand velocity among three schemes

將方案進(jìn)行匯總，在工況1、工況2和工況3三種試驗(yàn)工況下，以下游河道右岸最大流速、左岸最大回流速、3#洞上游側(cè)右岸最大流速、工況1水舌是否沖砸岸坡這4個參數(shù)進(jìn)行比較，以確定推薦方案體型，比較結(jié)果見表9。

表9 各方案最大流速與是否砸岸結(jié)果Table 9 Maximum velocity of each scheme and results offlow impact on river bank

需要說明的是，水舌是否砸岸的衡量指標(biāo)為：各工況下，各洞挑距內(nèi)緣、外緣均>100 m，即為不砸岸，否則為砸岸。

由于工況1為防洪限制水位，河道水位低、泄洪洞，泄流量小，極易砸岸，本次研究也主要針對工況1下的水舌砸岸進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)際運(yùn)行中，工況2和工況3更能反映真實(shí)情況。

通過3個方案的比選試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

(1)下游河道流態(tài)主要用右岸岸邊流速、左岸回流流速、3#洞出口上右側(cè)右岸回流流速以及水流是否頂沖對岸進(jìn)行評價。

(2)泄洪洞挑流水舌落點(diǎn)對下游河道流態(tài)有較大的影響，水舌落點(diǎn)距左岸越近，河道中部水流流態(tài)越好。工況1低水位下，1#洞水舌距左岸距離太小，容易沖擊岸坡，這也為改善下游河道流態(tài)增加了難度。

(3)挑坎橫向擴(kuò)散可以減小右岸岸邊流速，削弱下游河道左側(cè)回流。但左側(cè)回流區(qū)明顯上移，1#洞出口水舌下方流速較大，同時1#洞出口水流對岸坡有明顯的頂沖，造成上游左岸流速較大。

(4)若挑坎反弧半徑過大，會使水舌入水角度變小，挑距變大，影響右岸側(cè)流速。

5 結(jié) 論

針對三維數(shù)值計(jì)算對3種挑流鼻坎體型在3組工況下的河流流態(tài)分析，得到以下結(jié)論：

(1)針對某工程受地形地質(zhì)條件限制，挑流消能水舌對河岸山體沖擊的問題，對挑流消能鼻坎進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對比分析各個設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的流態(tài)、流速和水面線，結(jié)果表明優(yōu)化方案通過調(diào)整挑流鼻坎挑角、長度等，有利于提高水流的消能效果，確保岸坡和下游河床的穩(wěn)定。

(2)通過3種方案比選，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2，相比于原方案，反弧半徑從64 m增加到128 m，反弧段長度從45 m增加到55 m，邊墻擴(kuò)散寬度從16.4 m收窄到16 m，挑角從43.3°減小到22°。特別是工況1低水位低流量下，水舌挑距從91.2 m增加到118.8 m，不易砸岸，河道右岸最大流速從4.1 m/s降低到3.4 m/s，河岸左岸最大流速從4.3 m/s降低到3.3 m/s，分別下降0.7 m/s和1 m/s。減小了河道左側(cè)回流。

(3)挑坎橫向擴(kuò)散可以減小右岸岸邊流速，削弱下游河道左側(cè)回流。若挑坎反弧半徑過大，會使水舌入水角變小，挑距變大，影響右岸側(cè)流速，從方案1的3.2 m/s增大到方案2的3.4 m/s。此外，建立的挑流鼻坎的三維圖為實(shí)際工程施工提供了指導(dǎo)，保證了設(shè)計(jì)設(shè)想效果，可為類似工程設(shè)計(jì)借鑒。