基于ANSYS-Fluent 的沉沙池改進(jìn)設(shè)計(jì)下三維流場(chǎng)分析研究

魯 洪

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 概述

沉沙池乃是水利樞紐工程中重要排沙、沖沙的水利設(shè)施[1-2］，其運(yùn)營(yíng)可靠性對(duì)水利樞紐水沙演變、泥沙淤積等均有影響，而沉砂池內(nèi)由于水沙演變關(guān)系，池內(nèi)滲流場(chǎng)特征受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響顯著[3-4］，因而研究沉砂池的設(shè)計(jì)方案，對(duì)推動(dòng)沉砂池流場(chǎng)穩(wěn)定性與沉沙運(yùn)營(yíng)可靠性兼具價(jià)值。呂會(huì)嬌等[5］、職承杰等[6］基于水工模型復(fù)制比例理論，設(shè)計(jì)了沉砂池、消能池等水工結(jié)構(gòu)模型，開展了相應(yīng)的滲流試驗(yàn)，分析了池內(nèi)滲流場(chǎng)特征，評(píng)價(jià)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下體型優(yōu)化。高興輝[7］、劉許超等[8］采用數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)沉沙池、閘門等水工結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力特性開展計(jì)算分析，探究不同運(yùn)營(yíng)工況荷載下水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移變化特征，豐富了水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究成果。對(duì)于水工結(jié)構(gòu)三維流場(chǎng)計(jì)算問題，范海東等[9］、郭鑫等[10］采用Flow 3D、Fluent 等計(jì)算手段開展了消能池、溢洪道及沉沙池滲流特征分析，探討了三維流場(chǎng)內(nèi)流速、水面線等特征參數(shù)影響特性。本文為研究桂北水利樞紐沉沙池結(jié)構(gòu)翼片設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，采用ANSYS-Fluent 開展沉沙池斜板翼片設(shè)計(jì)改進(jìn)，從水力特征角度遴選最優(yōu)方案。

2 工程建模分析

2.1 工程概況

北江上游桂北地區(qū)水資源豐富，計(jì)劃分期建設(shè)一水電站樞紐工程，一期規(guī)劃投入運(yùn)營(yíng)工程包括有發(fā)電廠房、防洪主壩及沉沙池與沖沙閘等排沙設(shè)施。由于上游北江、珠江等支流流域內(nèi)人口活動(dòng)，溢洪道、發(fā)電引水口等區(qū)段泥沙懸浮、沉降較多，水位受泥沙影響，削弱水利工程運(yùn)營(yíng)效率，因而工程管理部門計(jì)劃在一期工程中建設(shè)沖沙閘與沉沙池。沉沙池設(shè)計(jì)剖面見圖1，包括有引水渠、擴(kuò)散段及池內(nèi)沉沙段及下游泄流通道，沖沙閘建設(shè)在沉沙池尾端。該沉沙池整體高程分布為345.822 m～346.968 m，池內(nèi)坡度為1／100，全長(zhǎng)為12 m，擴(kuò)散段寬度為7 m。在確保沉沙主池運(yùn)營(yíng)安全可靠的前提下，計(jì)劃對(duì)該沉沙池進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提升其沉沙效率與泄流期安全綜合穩(wěn)定性，采用斜板沉砂池作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體型，池內(nèi)配置有斜板構(gòu)件，覆蓋有翼片等擋流結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為0.3 m～0.45 m，斜板與翼片為平行相貼合布置，水平夾角為60°，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概化見圖2。為確保該斜板沉砂池改進(jìn)后不影響池內(nèi)滲流場(chǎng)穩(wěn)定性，考慮以沉砂池斜板翼片高度H 為研究對(duì)象，探究其對(duì)沉沙池水力特性影響。

圖1 沉砂池總體設(shè)計(jì)剖面圖

圖2 沉砂池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 設(shè)計(jì)模擬

為分析斜板式沉沙池翼片高度參數(shù)H 對(duì)池內(nèi)滲流場(chǎng)及水力特性影響，對(duì)池內(nèi)沉沙模型、泥沙懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行概化分析，圖3 為池內(nèi)泥沙顆粒懸浮遷移運(yùn)動(dòng)演變概化示意。斜板式沉沙池運(yùn)營(yíng)期內(nèi)上游引水明渠中水流進(jìn)入擴(kuò)散段后削弱水動(dòng)力勢(shì)能，沉積一部分泥沙，而在擴(kuò)散段其泥沙顆粒沿著斜板表面運(yùn)動(dòng)，顆粒碰撞的過程中沉積至斜板與翼片下方。沉沙池進(jìn)、出水段分別設(shè)置為弧形觸水面，與水流方向分別呈95°、65°。

圖3 泥沙沉降概化圖

采用ANSYS 完成該斜板式沉沙池結(jié)構(gòu)幾何建模，見圖4（a），由于斜板構(gòu)件為沉沙池重要組成部分，因而獨(dú)立提取其幾何模型，見圖4（b）。幾何模型簡(jiǎn)化了進(jìn)、出水段，且省略尾端沖沙閘結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析流體運(yùn)動(dòng)下斜板翼片設(shè)計(jì)對(duì)池內(nèi)滲流場(chǎng)影響。經(jīng)ANSYS 幾何模型完善后，導(dǎo)入至CFD 計(jì)算Fluent 流場(chǎng)軟件中[4，9］，采用不規(guī)則四邊體為沉沙池網(wǎng)格劃分單元體，劃分后三維流場(chǎng)計(jì)算模型見圖5。該模型共有88274個(gè)微單元，75486 個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格單元最小體積為6.3528×10-9m3，在圖4（b）所示的斜板構(gòu)造處進(jìn)行加密劃分，該部分區(qū)域網(wǎng)格覆蓋密度較之其他非加密區(qū)域增大了33.5%。模型中頂、底面分別氣液二相交流邊界與液相獨(dú)立邊界。本文模型中X～Z正向分別為出水渠方向、斜板傾斜向及水體豎直向下。

圖4 斜板式沉砂池模型

圖5 沉砂池三維計(jì)算模型

改進(jìn)后沉沙池鋪設(shè)有間距為1 m 的翼片，其高度按照不超過池寬度的3／4 設(shè)定，池深寬度為8 m，因而本文設(shè)定翼片高度H 計(jì)算方案為1 m～6 m，各方案間階次為1 m，且設(shè)定有無翼片斜板式沉沙池方案，以翼片高度為0 m 指代。計(jì)算工況中初始泥沙含量輸入為1.5 kg／m3，流速為1.2 m／s?；贔luent 計(jì)算不同設(shè)計(jì)方案下斜板式沉砂池滲流場(chǎng)特征，探討斜板上翼片設(shè)計(jì)參數(shù)的影響變化特性。

3 沉沙池水力特征影響

3.1 流速

由于斜板式沉沙池翼片高度設(shè)計(jì)參數(shù)差異，池內(nèi)流速會(huì)有相應(yīng)影響，圖6 為翼片高度不同方案下池內(nèi)流速等值線與斷面變化特征。

從圖6（a）中可知，不論翼片高度為何值，流速等值線走向與水流方向均一致，且均以水面線流速最高，即翼片高度設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)流速等值分布影響較小。從池內(nèi)流速等值線分布來看，翼片高度5 m、6 m 方案中池內(nèi)中、下游等區(qū)段聚集有渦旋流等現(xiàn)象，高、低流速在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生水力動(dòng)勢(shì)能的“碰撞”，極易引發(fā)池內(nèi)水流的翻滾、擾動(dòng)及漩渦等現(xiàn)象，不利于水體沖砂、排沙[11］，故從沉沙池運(yùn)營(yíng)考慮，翼片高度不應(yīng)過大。

分析圖6（b）可知，斜板增設(shè)翼片方案下，其流速水平均高于無翼片方案，翼片高度1 m、4 m 方案下流速水平較之無翼片方案分別增長(zhǎng)了38%～68.9%、1.75～3.3 倍，即增設(shè)翼片高度對(duì)沉沙池流速提升具有顯著效果。當(dāng)改變翼片高度時(shí)，池內(nèi)沿程斷面流速具有差異性，且翼片高度與池內(nèi)流速水平為正相關(guān)關(guān)系，在池內(nèi)斷面2.4 m 處翼片高度1 m 方案下流速值為0.03 m／s，而高度3 m、4 m、6 m 方案下流速較之分別增大了35.7%、65.4%、85.6%，表明增大翼片高度，沉沙池內(nèi)流速可增大，對(duì)水體排沙、沖沙具有正面作用。在翼片高度1 m 方案下沿程斷面平均流速為0.025 m／s，而隨高度方案階次遞增1 m 時(shí)，沿程平均流速的增幅達(dá)18.4%，但增幅最大集中在翼片高度1 m～4 m 區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)平均流速的最大增幅為26.8%，平均增幅為22.3%，而在翼片高度超過4 m 方案平均增幅僅為9.8%，表明翼片高度設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)沉沙池?cái)嗝媪魉俅龠M(jìn)作用為減弱態(tài)勢(shì)。對(duì)比沿程流速變化可知，當(dāng)翼片高度超過4 m 后，受限于局部漩渦流影響，其峰值流速斷面具有差異性，高度5 m、6 m 方案中峰值流速分別為0.066 m／s、0.074 m／s，位于斷面8.4 m 處，且在該斷面周圍具有流速波動(dòng)性。高度1 m～4 m 方案內(nèi)峰值流速分布為0.033 m／s～0.054 m／s，均為斷面3.6 m，沿程流速穩(wěn)定性均較佳，從“上-中-下游”沿程斷面，流速為先增后減變化。綜合分析可知，翼片高度超過4 m 后，流速穩(wěn)定性欠佳，且漩渦等非穩(wěn)定滲流易引起流速波動(dòng)段。

圖6 翼片高度影響下流速變化（圖（a）從下至上分別為高度0cm、2m、4m、5m、6m）

3.2 壓強(qiáng)

圖7 為斜板翼片高度設(shè)計(jì)參數(shù)影響下池內(nèi)時(shí)均壓強(qiáng)變化特征。分析壓強(qiáng)變化可知，壓強(qiáng)水平最高為翼片高度4 m 方案，隨翼片高度增大，池內(nèi)壓強(qiáng)為先增后減變化；對(duì)比沿程平均壓強(qiáng)也可知，無翼片方案中沿程平均壓強(qiáng)為6.6 kPa，而增設(shè)翼片后，高度1 m 方案下平均壓強(qiáng)為9.92 kPa，隨高度方案階次每增長(zhǎng)1 m 下，在高度1 m～4 m 區(qū)間內(nèi)沿程平均壓強(qiáng)的增幅為28.1%，而超過高度4 m 區(qū)間內(nèi)平均壓強(qiáng)具有降幅17.3%。從壓強(qiáng)量值對(duì)比來看，應(yīng)控制翼片高度在低于4 m，更有利于池內(nèi)氣液固三相分布，限制泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)，降低水體泥沙懸浮量[10］。

圖7 沉沙池沿程斷面壓強(qiáng)特征

池內(nèi)沿程斷面上壓強(qiáng)均為遞增，以出渠口處壓強(qiáng)值最高，在高度1 m～4 m 方案內(nèi)沿程壓強(qiáng)增幅均較穩(wěn)定，各方案斷面間平均增幅分布為5.7%～8.2%，以高度4 m 方案下壓強(qiáng)受影響敏感度最高。而在高度超過4m 方案內(nèi)， 壓強(qiáng)在斷面0～7.2 m 內(nèi)具有遞增特性，而在臨近出渠口斷面處壓強(qiáng)呈穩(wěn)態(tài)分布，壓強(qiáng)遞增效應(yīng)受限制，甚至高度6 m 方案在斷面9.6 m 后高度6 m 方案的壓強(qiáng)水平低于高度3 m 方案。綜合壓強(qiáng)特征可知，翼片高度4 m 下，沉沙池內(nèi)水力特征技術(shù)優(yōu)勢(shì)最大，對(duì)沉沙、排沙運(yùn)營(yíng)具備更高的可靠性。

4 沉沙池水沙特征分析

圖8 為本文模擬計(jì)算運(yùn)營(yíng)期500 d 時(shí)池內(nèi)含沙量變化特征。

圖8 沉沙池運(yùn)營(yíng)期500d 含沙量變化特征

分析圖中含沙量變化可知，翼片高度愈大，則含沙量水平愈低，翼片高度1 m 方案下斷面平均含沙量為3.47 kg／m3，而隨翼片高度每米遞增，其平均含沙量的降幅為13.1%，由此表明，翼片高度愈大，對(duì)池內(nèi)排沙、沉沙效率具有促進(jìn)作用。另一方面，池內(nèi)斷面含沙量均為遞增特征，以出渠口含沙量水平最大，翼片高度1 m 方案中各斷面間含沙量的增幅為4.8%，在翼片高度3 m、4 m 方案中相應(yīng)的增幅分別為4.2%、3.2%，即翼片高度愈大，斷面含沙量水平控制效果愈佳，但是在翼片高度5 m、6 m 方案中含沙量的增幅分別“慢-快”兩階段，兩個(gè)方案均在斷面4.8 m 后出現(xiàn)含沙量的快增變化，該斷面后含沙量的平均增幅分別可達(dá)7.2%、11.6%，即翼片高度愈大，由于對(duì)水體控制性欠弱，因而含沙量水平在一定斷面區(qū)間上會(huì)“脫離”斜板沉沙、排沙控制[12］，導(dǎo)致含沙量出現(xiàn)高增幅階段。綜合池內(nèi)水力特性及水沙演變，認(rèn)為翼片高度4 m 時(shí)沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平最優(yōu)。

5 結(jié)論

（1）翼片高度對(duì)池內(nèi)流速等值線分布影響較小，但高度5 m、6 m 方案內(nèi)流速等值線分布存在渦旋，且在峰值流速斷面周圍區(qū)域存在流速波動(dòng)段；翼片高度愈大，流速愈高，但增幅集中在高度1 m～4 m 方案，超過高度4 m 后平均增幅僅為9.8%。

（2）各翼片方案中以高度4 m 下壓強(qiáng)水平最高，在翼片高度1 m～4 m 與4 m～6 m 梯次方案內(nèi)，分別具有平均增幅28.1%與降幅17.3%；蓋度4 m 方案下斷面間壓強(qiáng)增幅最高，而高度5 m、6 m 方案臨近出渠口壓強(qiáng)增長(zhǎng)停滯。

（3）翼片高度與含沙量水平為負(fù)相關(guān)，翼片高度方案每梯次下，池內(nèi)斷面含沙量的降幅為13.1%；池內(nèi)斷面間含沙量為遞增變化，但高度5 m、6 m 方案在斷面4.8 m 前、后的遞增呈“慢-快”兩階段特征。

（4）綜合流場(chǎng)計(jì)算，沉沙池翼片高度4 m 方案下排沙、沖沙設(shè)計(jì)最優(yōu)。