河灣水電站消力池T型墩體型優(yōu)化數(shù)值模擬研究

高興輝

（喀左縣水利局，遼寧朝陽(yáng)122300）

1 工程背景

河灣水電站屬于典型的河道式徑流電站，壩址位于遼寧丹東鳳城市湯山城鎮(zhèn)河灣村境內(nèi)的愛河干流上，主要由混凝土重力壩、電站及附屬水工建筑構(gòu)成，裝機(jī)總?cè)萘繛?50 MW[1]。河灣水電站為河道型水庫(kù)，按照百年一遇洪水設(shè)計(jì)、千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，水庫(kù)的正常蓄水位為602.0 m，對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為843 萬(wàn)m3，校核洪水位為604.5 m。水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩，壩軸線長(zhǎng)231 m，壩頂寬8.0 m，壩基高程574.0 m，壩頂高程603.5 m，最大壩高29.5 m。

河灣水電站的溢流壩段主要由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠段五部分組成，設(shè)計(jì)洪水流量為570 m3/s，校核洪水流量為1 057 m3/s。在水利水電工程施工過(guò)程中，泄流建筑物中的高速水流往往蘊(yùn)含著較大的動(dòng)能，不僅會(huì)威脅泄水建筑物本身的安全，還會(huì)對(duì)下游的河道和河床造成顯著的空蝕和沖刷破壞[2]。顯然，僅憑消力池實(shí)現(xiàn)下瀉水流的消能，需要較大的設(shè)計(jì)深度，進(jìn)而大幅增加施工難度和成本。因此，設(shè)計(jì)輔助消能工就顯得尤為重要。其中，T 型寬尾墩-消力池聯(lián)合消能工是一種新型綜合消能工，而河灣水電站的消能設(shè)施也采用了這種消能方式[3]。但是，目前關(guān)于T型墩的研究主要集中于矩形形狀，在結(jié)構(gòu)改進(jìn)和布置形式方面尚缺乏新的研究成果[4]?；诖耍舜窝芯恳院訛乘娬鞠芄槔?，進(jìn)行消力池T型墩體型優(yōu)化數(shù)值模擬研究，力求為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)踐借鑒。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 軟件選擇

FLUENT 是一種利用C 語(yǔ)言編寫的大型通用有限元軟件，可以對(duì)復(fù)雜幾何區(qū)域的流體運(yùn)動(dòng)及熱傳導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行精確模擬，允許用戶結(jié)合實(shí)際情況對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行整體或局部上的修改，同時(shí)該軟件還具備自適應(yīng)特點(diǎn)，可以在較大梯度的流動(dòng)區(qū)域?qū)α黧w流動(dòng)進(jìn)行精確模擬[5]。FLUENT還支持各種網(wǎng)格生成軟件包，并與其具有較好的相容性[6]。鑒于FLUENT軟件的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，以及此次研究需要對(duì)多種不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析的實(shí)際需求，選擇FLUENT軟件進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建。

2.2 模型的構(gòu)建

根據(jù)模擬研究的實(shí)際需求，結(jié)合相關(guān)的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，確定有限元模型的模擬范圍為進(jìn)口段上游庫(kù)區(qū)150.0 m 至出水渠下游217.0 m[7]。以河灣水電站大壩初始設(shè)計(jì)資料為依據(jù)，利用CAD軟件進(jìn)行模擬區(qū)域的幾何模型構(gòu)建，然后進(jìn)行疏密程度相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，所有網(wǎng)格均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。鑒于消力池T 型墩和閘墩進(jìn)口區(qū)域的水流狀態(tài)十分復(fù)雜，對(duì)上述兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)丶用芴幚?。整個(gè)有限元模型被劃分為612 870 個(gè)網(wǎng)格單元和756 578 個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。鑒于模型的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐忠呀?jīng)可以保證模擬計(jì)算的精度，因此沒有對(duì)水氣邊界部位進(jìn)行加密處理[8]。

2.3 模型的邊界條件

模型的泄槽段、消力池底板、邊墻及T 型墩設(shè)置為固壁邊界條件；模型的進(jìn)口主要包括氣體入口和水入口兩大部分。其中，水流入口為上游斷面，采用速度進(jìn)口條件，即根據(jù)水庫(kù)的上游水位高度和單寬流量確定入口流速，氣體邊界采用壓力邊界條件，邊界處的壓力為大氣壓設(shè)置。模型的出口為自由邊界條件，整個(gè)模型的上部均為壓力出口條件，給定大氣壓。為了提高模擬計(jì)算的精度，將上游水庫(kù)水位線以下部位全部充滿水，而水面以上的區(qū)域全部充滿空氣。在模擬研究過(guò)程中，采用k-ε紊流模型和VOF模型相結(jié)合的方式進(jìn)行消能工的數(shù)值模擬，獲得泄水過(guò)程中的水力特征分布規(guī)律，并進(jìn)行T型墩體型結(jié)構(gòu)和位置的優(yōu)化。其中，模型的自由水面利用VOF 法計(jì)算獲取，方程的離散采用有限體積法，并利用PISO 算法對(duì)模型的速度及水面線進(jìn)行必要的耦合計(jì)算。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 消力板的影響結(jié)果分析

為了研究消力板對(duì)T型墩消能工消能效果的影響，研究中在無(wú)消能板的原始設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，在T型墩的兩個(gè)迎水面全部設(shè)置消力板。消力板與T型墩的前墩固定在一起的部分應(yīng)按水流方向防線安裝凸起的部分，后部則與T型墩的前墩相連，擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)為40°的傾斜角度，厚度為前墩高度的1/4，即1.0 m。

對(duì)構(gòu)建的三維有限元模型進(jìn)行局部調(diào)整，獲得添加消力板方案的有限元模型，對(duì)有無(wú)消力板兩種工況下的泄水結(jié)構(gòu)水力特征進(jìn)行計(jì)算，獲得水躍高度和消能率與泄流量之間的關(guān)系，結(jié)果如表1 所示。由表1 中的計(jì)算結(jié)果可知，在所有的情況下，設(shè)置消力板可以顯著降低水躍高度，同時(shí)提高消能工的消能率。因此，設(shè)置消力板可以提高消能效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

表1 有無(wú)消力板消能特征計(jì)算結(jié)果

3.2 T 型墩位置影響的計(jì)算結(jié)果與分析

鑒于T 型墩的支腿長(zhǎng)度與消力池的池長(zhǎng)、前墩邊緣與消力池進(jìn)水口的距離及前趾長(zhǎng)度之間具有線性關(guān)系，因此研究中以支腿長(zhǎng)度作為T 型墩位置的主要表征量，結(jié)合工程的設(shè)計(jì)資料，在添加消能板設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，提出11，13，15 m 等3種不同的支腿長(zhǎng)度，并結(jié)合不同支腿長(zhǎng)度對(duì)構(gòu)建的有限元模型進(jìn)行局部調(diào)整，獲得與計(jì)算方案相對(duì)應(yīng)的有限元模型，然后對(duì)不同泄流量水平下的消能率進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，在各種泄流量水平下，支腿長(zhǎng)11 m 時(shí)的消能率最低；當(dāng)泄流量較大，接近校核流量時(shí)，支腿長(zhǎng)13 m 時(shí)的消能率最大；當(dāng)泄流量相對(duì)較小，接近設(shè)計(jì)流量時(shí)，支腿長(zhǎng)15 m 時(shí)的消能率最大。雖然東北地區(qū)的水利工程一般會(huì)處于小水狀態(tài)，但是受當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯挠绊?，也不排除出現(xiàn)較大洪峰的可能性，因此，水利工程設(shè)計(jì)必須要將安全放在突出地位。同時(shí)，減小支腿長(zhǎng)度還有利于降低施工成本，所以12 m 的支腿長(zhǎng)度應(yīng)該為消能效果最佳的設(shè)計(jì)方案。

圖1 不同支腿長(zhǎng)度消能率隨泄流量變化曲線

3.3 T 型墩墩型影響的計(jì)算結(jié)果與分析

目前的T 型墩墩型設(shè)計(jì)均為矩形形狀，分析認(rèn)為其他形狀的墩型或許可以取得更好的消能效果?；诖瞬孪?，在已確認(rèn)的最優(yōu)位置的前提下，結(jié)合T 型墩前墩和后墩的不同型式設(shè)計(jì)，獲得如表2 所示的墩型計(jì)算方案表。

表2 不同墩型設(shè)計(jì)表

通過(guò)局部調(diào)整獲得針對(duì)不同墩型的有限元模型，通過(guò)模擬計(jì)算獲得不同墩型、不同流量水平下的消能率，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，各墩型消能率隨泄流量的變化規(guī)律基本一致，均為先增大后減?。涸诹髁康陀?00 m3/s 的情況下，消能率隨著泄流量的增加而增大，當(dāng)流量高于800 m3/s 的情況下，消能率隨著泄流量的增加而減小。對(duì)比不同墩型，6 種T 型墩型式按照消能率的大小排列順序?yàn)椋憾招?，2，5，1，4，3。由此可見，無(wú)論在何種泄流量水平下，墩型6 的消能效果均為最佳，為推薦墩型設(shè)計(jì)。該墩型的前墩迎水面為弧形，可以有效改善該部位的水流流態(tài)，并在凹陷部位形成絮流，消減一部分水流能量；梯形的支腿可以使尾坎的橫截面積增大，顯著增加了阻水作用，因此消減的能量也明顯增加。上述兩方面的作用，使墩型6 獲得了較高的消能率。

4 結(jié)論

此次研究以河灣水電站為工程背景，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)T 型墩的體型設(shè)計(jì)對(duì)消能效果的影響進(jìn)行模擬計(jì)算研究：1）設(shè)置消力板可以提高消能效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用；2）通過(guò)模擬計(jì)算，綜合考慮水利工程的安全性和工程成本，建議支腿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為12 m；3）采用前墩梯形、后墩弧形的T 型墩墩型消能率最高，可以獲得最佳消能效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。