燕尾挑坎挑射水流數值模擬

夏鵬飛， 韓紅亮， 趙 英， 杜 璇， 杜萬軍

(楊凌職業(yè)技術學院， 陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

挑流消能具有構造簡單、靈活，便于維修，投資省的優(yōu)點，一直是水利水電工程中最常用到的消能方式之一。它是借助泄水道末端設置的挑坎，使下泄高速水流自由拋射在空氣中擴散、摻氣乃至碰撞，同時利用水舌跌入水墊塘形成淹沒射流的紊動擴散，以及水股與四周水體、壁面旋滾的剪切作用，來消散下泄水流的巨大動能[1]。挑流消能工的核心設計之一是挑坎體型，隨著壩工技術的蓬勃發(fā)展，連續(xù)坎、斜切坎、窄縫坎等陸續(xù)都得到了廣泛應用，窄縫挑坎多用于峽谷高壩泄洪建筑物的末端，使水流縱向拉伸，保護峽谷高岸坡穩(wěn)定，但由于邊墻的急劇收縮，水流對側墻的沖擊作用非常大，挑坎的懸臂邊墻承受很大的動水壓力，側墻結構設計十分困難[2]。而燕尾型挑坎不僅能形成典型的窄縫水舌，挑坎側墻所承受的壓力也大大降低[3]，這種新型挑坎主要是通過帶缺口的反弧底板及其上部結構對水流的作用，使水流出坎后形成了窄而長的水舌，因此將這種新型挑坎命名為“圓弧底板漏空挑坎”。目前已有科研學者對燕尾型挑坎著手研究，鄧永婷[4]利用Fluent軟件，對挑坎側墻、底板的壓力分布、對出挑段水舌的流量分布進行了數值模擬研究。夏鵬飛[5]采用標準的k-ε紊流模型，結果表明采用三維數值模擬方法對燕尾形挑坎進行研究是可行的。朱利[6]探索了在高重力壩的溢流壩出口端設置燕尾形挑坎后，采用內緣切口處底板切線方向作為水舌出射挑角，利用拋射體公式計算挑距存在較大誤差。毛棟平[7]、程文磊[8]在其他工程中，進一步驗證了此種挑坎對上游來流的適應性良好。綜上所述，目前學者們對燕尾型挑坎的研究取得了豐碩成果，但是對其的水力特性認識和窄長水舌形成的機理研究不足，加之水流紊動劇烈，控制的參數較多，基于以上理由，科研工作者對燕尾形挑坎還需進行深入分析和研究。

本文結合某狹窄河道水電工程溢洪道挑流消能進行數值模擬研究，由于下游河道較窄，水舌的擴散受到限制，經過試驗優(yōu)化采用了燕尾型挑坎。本次計算選用標準k-ε紊流模型，以流體體積方法(volume of fluid，VOF)跟蹤自由水面[9]，較為精確地模擬了空中水舌形態(tài)及水舌流速，為試驗提供了可靠的依據。

2 數學模型與邊界條件設置

控制方程采用標準的k-ε雙方程紊流模型,自由水面追蹤采用目前應用較成熟的VOF方法。本次計算模型為了還原工程實際情況，包含引渠段、溢流堰、收縮段、摻氣槽、泄槽段，整體的網格間距均為2 cm，對重點區(qū)域的網格進行了加密處理，計算區(qū)域網格以結構化網格為主，挑坎段少量為非結構化網格，計算域的網格數為130萬。

采用流速進口邊界條件，下游出口邊界設為均勻流出口邊界，壁面采用無滑移邊界條件，模型頂部與空氣接觸的表面設為壓力進口邊界。

3 計算結果及分析

3.1 水舌形態(tài)分析

本次數值模擬水舌挑距與模型試驗實測結果吻合良好，模擬水舌結果三維展示如圖1所示，挑流水舌在豎直平面內呈現燕翅狀擴散，從燕尾挑坎末端位置挑射出的水流，在燕尾型挑坎的約束條件下，由兩燕尾出射的水舌由于拋射點不等但卻連續(xù)的分布使得水舌在空中相互拉伸形成一層連續(xù)較薄的簾狀水面，擴大了入水寬度，入射到下游較遠的河道時一定程度降低了對下游河床的沖擊，落下水舌也順著水流方向，大部分被下放水流帶走，有利于下游流態(tài)的穩(wěn)定。水舌側視圖如圖2所示，挑流水舌在豎直平面內呈掃帚狀擴散，水舌上緣與下緣翻卷劇烈，上緣凸起，下緣同向凸起，增大了水舌與空氣的接觸面積，使水舌摻氣更加充分，同時翻卷水舌適當減小了霧化的影響范圍．水舌俯視形態(tài)如圖3所示，水舌自挑坎出射后，寬度沿縱向迅速減小，在縱向呈“一”字，既在縱向拉伸充分，降低了單位面積內的入水量，又很好的解決了河道狹窄與水舌寬度之間的矛盾。

圖1 水舌軸視圖 圖2 水舌側視圖

圖3 水舌俯視圖

3.2 水舌速度特性

為了便于觀察水舌速度的連續(xù)變化特征，故沿程截取了12個水舌斷面．對比沿程速度云圖4和矢量圖5，由斷面 1、2 知，水舌流經挑坎的過程中，水流在燕尾形挑坎上的運動過程中，由于受到缺口處壓力突然釋放的影響，底板附近靠近缺口處的水流首先在橫向壓力梯度的作用下產生橫向流動，然后，挑坎上的水流持續(xù)受到橫向壓力梯度的作用，橫向流速不斷增加，隨著流動的繼續(xù)，水面高差也不斷增加，開口處中間部分水體下沉，兩側開始上升，越遠離挑坎，該變化越劇烈，到了3～12斷面，隨著坎上水流不斷從缺口處挑出，坎上的水深在不斷減小，因此坎上靠近邊墻處的水體內部壓力在不斷減小，壓差也在不斷減小，最終導致了橫向流速的減小。最大流速均集中在底端，可見水舌出射后，大部分水體集中在底部，“燕翅”部分水體分布較少但摻氣明顯，速度較底部偏低。在斷面7處，水舌位置達到最高，位能最大，繼續(xù)沿挑距方向運動則為位能轉化為動能，由速度云圖和矢量圖可見斷面8～12處，水舌流速在底端沿程逐漸增加且較為明顯，在頂部變化并不劇烈，這也是頂部水體較少，摻氣較多所致。

圖4 水舌流速變化云圖 圖5 水舌流速變化矢量圖

4 結 語

本文采用Fluent計算軟件模擬了溢洪道出口燕尾挑坎的水舌射流情況。展示了挑射水舌形態(tài)和水舌沿程流速變化：(1)水流流經燕尾形挑坎時，大部分水體首先由挑坎缺口區(qū)域出射；剩余水體沿缺口兩側有一定曲率的底板出射，出挑水流整體上形成窄而薄的水流形態(tài)，豎向及縱向擴散顯著；(2)水舌自挑坎出射后，既在縱向拉伸充分，降低了單位面積內的入水量，又很好的解決了河道狹窄與水舌寬度之間的矛盾；(3)水舌流速在底端沿程逐漸增加且較為明顯。