挑流鼻坎體型數(shù)值模擬優(yōu)化研究

趙興龍,韓 雷,王正君,呂春瑋,葉昆河,田振華

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 150080)

0 引 言

水庫溢洪道的泄洪消能一直是水工建筑物的研究重點(diǎn),相較于傳統(tǒng)物理模型試驗的研究方法,通過數(shù)值模擬對溢洪道進(jìn)行水力特性的研究得到了更普遍的應(yīng)用［1］。何志亞等［2］〗針對沙河水庫溢洪道挑流鼻坎采用FLUENT軟件對擬定的挑流鼻坎進(jìn)行數(shù)值模擬,并進(jìn)行了推薦體型的物理模型試驗,得出了能滿足挑流水舌落點(diǎn)遠(yuǎn)離下游崩塌體的挑流鼻坎體型。郭紅民等［3］通過建立溢流堰挑流消能的三維數(shù)值模型,并對模型試驗結(jié)果進(jìn)行驗證,同時對多種優(yōu)化消能方案進(jìn)行數(shù)值模擬計算,得出了在原體型的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大挑流反弧半徑可以改善泄流消能作用。馬強(qiáng)［4］通過數(shù)值模擬和模型試驗進(jìn)行驗證,建立了兩種不同的尾坎并進(jìn)行數(shù)值模擬,得出了下游河道差動式最大流速比連續(xù)式最大流速小的結(jié)論。張桂花等［5］提出了一種舌瓣鼻坎挑流新體型,并對其進(jìn)行了物理模型試驗,研究表明該體型增加了水舌挑距,避免了水舌集中沖刷河床。

本文采用數(shù)值模擬與物理模型試驗相結(jié)合的方式,利用物理模型試驗得到的結(jié)果對數(shù)值模擬進(jìn)行驗證。在驗證滿足誤差范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬的方法對該水庫溢洪道進(jìn)行挑流鼻坎優(yōu)化研究,為挑流鼻坎的體型設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

某水庫由攔河壩(包括大壩和二壩)、溢洪道和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。本工程為一等工程,攔河壩及溢洪道為一級建筑物,500年一遇洪水設(shè)計,可能最大洪水校核;引水建筑物及電站廠房為二級建筑物,50年一遇洪水設(shè)計,500年一遇洪水校核。溢洪道位于右岸低分水嶺處,為開敞式岸坡溢洪道,由引水渠、溢流堰體、瀉槽、挑流鼻坎及出水渠等5部分組成,總長959.50m。設(shè)7個溢流孔,堰頂高程205.60m,每孔凈寬16m。設(shè)16×13.4m弧形工作門,采用固定卷揚(yáng)式弧門啟閉機(jī)操作,弧門前設(shè)一道平板檢修閘門,7孔設(shè)1套。設(shè)計洪水位220.58m時下泄流量為12 210 m3/s,校核洪水位225.41m時下泄流量為18 570 m3/s。矩形斷面泄槽由130m寬漸變至90m。

2 物理模型試驗

為驗證數(shù)值模擬和物理模型試驗的準(zhǔn)確性,設(shè)計原連續(xù)式挑流鼻坎的模型試驗。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計,為正態(tài)模型,由上游庫區(qū)、溢流堰(引水渠、溢流堰體、泄槽、挑流鼻坎及出水渠)、下游河道組成。

2.1 比尺設(shè)計

模型整體布置按照1∶100的幾何比尺在試驗場按原地形制作,主要比尺關(guān)系見表1。

表1 模型主要比尺

2.2 模型制作

非溢流壩段采用磚混結(jié)構(gòu),溢流壩模型采用有機(jī)玻璃制作,庫區(qū)及下游河道地形采用定床凹形模板制作。原型溢流壩采用常態(tài)混凝土,其糙率n=0.014～0.017。根據(jù)糙率比尺,計算模型材料的糙率比尺為0.0065～0.0079,有機(jī)玻璃的糙率n=0.008,基本可以滿足糙率相似要求,選擇有機(jī)玻璃制作溢流壩模型。加工精度控制在±0.2mm以內(nèi),安裝的垂向精度控制在±0.3mm以內(nèi),平面精度控制在±0.5mm以內(nèi)。模型整體布置見圖1。

圖1 溢洪道物理模型試驗流程示意圖

3 數(shù)值模擬計算及驗證

采用有限體積法進(jìn)行離散,采用VOF自由追蹤液面、RNGk-ε湍流模型和PISO算法對原連續(xù)式挑流鼻坎進(jìn)行數(shù)值模擬,并與物理模型試驗進(jìn)行驗證。

3.1 控制方程

數(shù)學(xué)模型采用RNGk-ε湍流模型,可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動,具有更高的精度和可信度［6］。其控制方程為:

連續(xù)方程:

(1)

動量方程(Navier-Stokes方程):

(2)

k-ε紊流方程:

(3)

(4)

3.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)學(xué)模型設(shè)順溢洪道方向為X方向,沿溢洪道從右岸到左岸方向為Y方向,垂直方向為Z方向。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,引水渠、溢流堰體、泄槽及出水渠網(wǎng)格間距為2m,挑流鼻坎段網(wǎng)格間距為0.5m,模型共有網(wǎng)格總數(shù)為2 262 005個。

3.3 邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬計算中,引水渠入流斷面設(shè)置為進(jìn)口邊界,采用壓力進(jìn)口,通過給定水位和流速的方法來保持恒定的流量;出水渠出口斷面設(shè)置為出口邊界,同樣采用壓力進(jìn)口,通過給定水位來保持下游河道的水位恒定。各工況設(shè)置邊界條件見表2。

表2 各工況設(shè)置邊界條件

3.4 模型驗證

本文針對原連續(xù)式挑流鼻坎體型(鼻坎挑角30°,挑流鼻坎反弧半徑30m,挑流鼻坎尾部高程179.6m),在泄洪流量為18 570、12 210、7 186m3/s,相應(yīng)上游水位分別為225.41m(工況1)、220.58m(工況2)、218.00m(工況3)3種運(yùn)行工況條件下,進(jìn)行數(shù)值模擬與物理模型試驗結(jié)果比較。

3.4.1 流量對比分析

表3為3種工況下數(shù)值模擬和物理模型試驗的流量。由表3可以看出,數(shù)值模擬計算值的進(jìn)口流量和模型試驗的實測值所采用的進(jìn)口流量數(shù)據(jù)基本一致,兩者的相對誤差在允許范圍內(nèi)。

表3 數(shù)值模擬與物理模型試驗流量對比表

3.4.2 水面線對比分析

圖2為3種工況下數(shù)值模擬和物理模型試驗的水面線對比圖。由圖2可以看出,數(shù)值模擬計算值和模型試驗實測值有略微差異,主要表現(xiàn)為模型試驗實測值略高于數(shù)值模擬計算值,但是兩者基本相同,誤差在允許范圍之內(nèi)。同時可以看出,隨著流量的增大,兩者水面線的擬合程度越來越好,這可能與大流量狀態(tài)下流體流動相對更穩(wěn)定有關(guān)。

圖2 各工況下水面線實測值與計算值對比分析

3.4.3 流速對比分析

由圖3可以看出,工況1計算值和實測值誤差最大值發(fā)生在樁號0+280m處,誤差值3.72%;工況2計算值和實測值誤差最大值發(fā)生在樁號0+540m處,誤差值3.41%;工況3計算值和實測值誤差最大值發(fā)生在樁號0+120m處,誤差值3.74%。泄漕段與挑流鼻坎段的流速吻合良好,整體誤差滿足精度需求。

圖3 典型斷面數(shù)值模擬與模型試驗流速對比圖

3.4.4 挑射水舌形態(tài)對比分析

圖4對比了數(shù)值模擬與物理模型試驗挑射水流的水舌形態(tài)。數(shù)值模擬計算流態(tài)良好,與物理模型試驗流態(tài)吻合度極高。

圖4 溢洪道挑流鼻坎段數(shù)值模擬與物理模型試驗水流流態(tài)對比

3.4.5 挑射水舌挑距對比分析

表4為3種工況下挑流鼻坎挑射水舌挑距的數(shù)值模擬計算值和物理模型試驗實測值結(jié)果比較。由表4可以看出,兩者的結(jié)果基本吻合,但某些地方存在著一定的誤差,。誤差值最大的是工況2的內(nèi)緣挑距為6.5%,這可能是物理模型試驗由于水流的脈動現(xiàn)象導(dǎo)致水舌的落水點(diǎn)具有隨機(jī)性,同時模型試驗自身縮尺效應(yīng)也會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

表4 數(shù)值模擬與模型試驗挑射水舌挑距對比表

4 消能工體型優(yōu)化

該水庫溢洪道原連續(xù)式挑流鼻坎體型存在水流落點(diǎn)過于集中的問題,為了更好地分散水流,減輕對下游河道的集中沖刷,對消能工體型各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。參考類似工程以往的經(jīng)驗,采用雙圓弧差動式挑流鼻坎,以增加挑流水舌在空氣中的摻氣程度,解決挑射水流落點(diǎn)過于集中的問題。

4.1 雙圓弧差動式挑流鼻坎設(shè)計

根據(jù)該水庫溢洪道的特點(diǎn),對其進(jìn)行體型優(yōu)化。在優(yōu)化體型設(shè)計時,主要考慮以下要求:在原連續(xù)式挑流鼻坎體型的基礎(chǔ)上,僅做少量改變,以求便于施工,同時可以達(dá)到較好的消能效果。經(jīng)研究,最終采用雙圓弧差動式挑流鼻坎,高坎和低坎高度差為4m,以泄洪流量12 210m3/s(P=0.2%)為主要研究對象進(jìn)行數(shù)值模擬,比較優(yōu)化體型與原體型的挑流消能效果。雙圓弧挑流鼻坎三維效果見圖5。

圖5 雙圓弧挑流鼻坎三維效果示意圖

4.2 水舌形態(tài)分析

圖6為溢洪道工況2數(shù)值模擬原體型與優(yōu)化體型挑射水舌形態(tài)對比圖。由圖6可以看出,優(yōu)化體型相較于原體型水舌前后的水流落點(diǎn)更分散,入射角更小,挑流水舌形態(tài)更好。同時可以看出,優(yōu)化體型的挑射水流與下游河道中的水流碰撞更充分,更有利于消能。

圖6 溢洪道工況2數(shù)值模擬原體型與優(yōu)化體型挑射水舌形態(tài)對比

4.3 水舌挑距分析

表5為原體型與優(yōu)化體型在12 210m3/s的泄洪流量下的內(nèi)緣挑距和外緣挑距。由表5可以看出,優(yōu)化體型的內(nèi)緣挑距和外緣挑距都小于原體型,但優(yōu)化體型挑射水流入下游河道處的長度要大于原體型,有利于分散水流,提高了挑射水流在空中的耗能率,減小了對下游河道的沖刷,且優(yōu)化體型的水舌落水點(diǎn)對壩基不產(chǎn)生危害。

表5 原體型與優(yōu)化體型水舌挑距對比表

4.4 消能率分析

水庫溢洪道挑流消能率計算方式各有不同。本文的溢洪道挑流消能率可表示為［4,7］：

η=(E1-E2)/E1×100%

(5)

其中:E1=Z+V21/(2g);E2=V22/(2g)

式中:E1、E2分別為該水庫溢洪道上下游斷面的水流總能量;V1、V2分別為上下游斷面平均流速,以下游斷面平均水深為基準(zhǔn)高程;Z為上游庫區(qū)斷面與下游斷面的高程差。

采用流量為12 210m3/s時的消能率進(jìn)行對比,原連續(xù)式挑流鼻坎的消能率為73.5%;雙圓弧差動式挑流鼻坎的消能率為79.7%?？梢钥闯?優(yōu)化體型的消能率大于原體型的消能率,雙圓弧差動式挑流鼻坎的消能效果優(yōu)化明顯,可提高該水庫溢洪道的消能效果,從而減小挑射水流對下游河道的影響。

5 結(jié) 語

1)通過FLUENT計算流體軟件,對某水庫溢洪道挑流鼻坎進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析,得到的結(jié)果與物理模型試驗基本一致。數(shù)學(xué)模型計算成果提供了比物理模型試驗更為全面的數(shù)據(jù),為物理模型試驗做了很好的補(bǔ)充。

2)本文對某水庫溢洪道挑流鼻坎進(jìn)行優(yōu)化,對比分析了雙圓弧差動式挑流鼻坎與原連續(xù)式挑流鼻坎在水舌形態(tài)、水舌挑距、消能率方面的計算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明,采用雙圓弧差動式挑流鼻坎可以分散水舌,避免水流落點(diǎn)過于集中,消能率提高了6.2%,有效降低了對下游河床的沖刷。