李彩霞

（博樂(lè)農(nóng)五師全新勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆博樂(lè)833400）

臺(tái)階式溢洪道泄流規(guī)律數(shù)值研究

李彩霞

（博樂(lè)農(nóng)五師全新勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆博樂(lè)833400）

臺(tái)階式溢洪道是水庫(kù)防洪系統(tǒng)的組成部分，承擔(dān)著重要的任務(wù)，具有良好的泄流和消能效果。隨著碾壓混凝土技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，對(duì)臺(tái)階式溢洪道進(jìn)行水力特性研究具有重要意義。以水利樞紐臺(tái)階式溢洪道為研究對(duì)象，首先分析了溢洪道的泄洪功能，并指出了臺(tái)階式溢洪道研究中存在的不足。采用FLUENT軟件對(duì)臺(tái)階式溢洪道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了溢洪道水流流態(tài)、水面線(xiàn)、壓力分布。研究表明：臺(tái)階式溢洪道底部壓力最大，自底部向上沿豎直方向逐漸降低到負(fù)壓后，又開(kāi)始增大。

臺(tái)階式；溢洪道；泄流規(guī)律；數(shù)值模擬

溢洪道是排放水庫(kù)中多余水量、漂浮物、泥沙等的重要水工建筑物［1-2］。泄洪消能是水利建設(shè)中的重要技術(shù)問(wèn)題，20世紀(jì)90年代我國(guó)開(kāi)始修建臺(tái)階式溢洪道，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者也開(kāi)始對(duì)溢洪道水利特性進(jìn)行研究。水利工程的修建勢(shì)必引起天然河道的改變，在水庫(kù)前后水位落差的作用下，臺(tái)階式溢洪道流速將明顯大于河水流速［3］。如果不采取有效措施，高速水流將會(huì)沖刷下游河床，危及水壩安全。

隨著碾壓混凝土技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，對(duì)臺(tái)階式溢洪道進(jìn)行水力特性研究具有重要意義。根據(jù)平面軸線(xiàn)不同，溢洪道可分為直線(xiàn)型和曲線(xiàn)型2種，研究顯示只要斜坎布置合理，曲線(xiàn)形溢洪道就能滿(mǎn)足需求。目前，新型臺(tái)階式溢洪道主要有：V型曲線(xiàn)形溢洪道和外凸臺(tái)階溢洪道［4］。以水利樞紐臺(tái)階式溢洪道為研究對(duì)象，首先分析了溢洪道的泄洪功能，并指出了臺(tái)階式溢洪道研究中存在的不足。采用FLUENT軟件對(duì)臺(tái)階式溢洪道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了溢洪道水流流態(tài)、水面線(xiàn)、壓力分布。希望為今后臺(tái)階式溢洪道設(shè)計(jì)提供參考。

1 溢洪道消能率研究

隨著水利科技工作者對(duì)溢洪道問(wèn)題的深入研究，我們對(duì)溢洪道消能特性有了深刻的認(rèn)識(shí)。臺(tái)階式溢洪道消能效果關(guān)系到整個(gè)水利工程的安危，目前消能率的計(jì)算公式很多，最簡(jiǎn)單的公式是基于能量方程得出的。消能率［5-6］：

式中：η—溢洪道消能率，%；E1—上游水頭，m；E2—下游水頭，m；ΔE—上下游高度差，m。

臺(tái)階式溢洪道的消能主要通過(guò)自摻氣功能實(shí)現(xiàn)，但是氣液兩相流是一種非常復(fù)雜的流態(tài)，目前尚未有完整的理論體系對(duì)摻氣量進(jìn)行計(jì)算，臺(tái)階式溢洪道氣液兩相流問(wèn)題還處于探索性階段。1994年，Chanso提出了單一臺(tái)階摻氣量的計(jì)算式［7］：

式中：Ei—單一臺(tái)階的摻氣率，E水舌—入射水舌的摻氣率，E水躍—水躍的摻氣率。

在發(fā)展前期，主要通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)溢洪道泄流特性進(jìn)行研究。本文設(shè)計(jì)的臺(tái)階式溢洪道模型按照重力相似性準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型的幾何比例尺取50，流速比例尺為7.07，時(shí)間比例尺為7.07，粗糙度比例尺為1.92。該模型由溢洪道閘室、泄槽、挑坎等部分組成。上游水位測(cè)點(diǎn)位于溢洪道進(jìn)口60m處，下游水位測(cè)點(diǎn)位于挑坎下游175m的位置，綜合流量系數(shù)為0.38～0.45。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行多參數(shù)試驗(yàn)，研究臺(tái)階尺寸、流量對(duì)消能率的影響，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出消能率的計(jì)算公式。目前，臺(tái)階式溢洪道水力特性研究還處于較低層次，仍有許多技術(shù)問(wèn)題亟待解決，主要有［8］：溢洪道的泄流能力隨著水位升高而變大，如何準(zhǔn)確測(cè)量溢洪道流場(chǎng)的速度分布、摻氣量仍有一定困難；現(xiàn)有模型采用連續(xù)型挑坎，在大流量時(shí)如何保證臺(tái)階溢洪道表面的空氣腐蝕成為研究難點(diǎn)；現(xiàn)階段消能率的計(jì)算式大多由模型試驗(yàn)導(dǎo)出，數(shù)值模擬精度還有待提高；氣液兩相流研究理論還不完善，臺(tái)階式溢洪道水力現(xiàn)象的微觀(guān)機(jī)理還有待進(jìn)一步研究；臺(tái)階式溢洪道內(nèi)部的水流流態(tài)十分復(fù)雜，屬于旺盛的湍流，流動(dòng)中有水力沖擊波產(chǎn)生，水力波動(dòng)會(huì)對(duì)溢洪道邊墻產(chǎn)生危害。

2 溢洪道泄流規(guī)律數(shù)值研究

2.1 模型建立

采用FLUENT軟件對(duì)臺(tái)階式溢洪道進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬之前首先建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，取設(shè)計(jì)洪水和校核洪水2個(gè)計(jì)算工況，以便對(duì)溢洪道臺(tái)階上的壓強(qiáng)分布規(guī)律進(jìn)行研究。對(duì)溢洪道剖面進(jìn)行2維計(jì)算，對(duì)溢洪道整體進(jìn)行3維數(shù)值計(jì)算，模型建立用AutoCAD完成，網(wǎng)格劃分在GAMBIT軟件中完成，并設(shè)置好邊界條件和入口參數(shù)。網(wǎng)格劃分是數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵，本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，由于臺(tái)階式溢洪道計(jì)算區(qū)域較為復(fù)雜，對(duì)臺(tái)階面網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，整體采用0.8m的網(wǎng)格間距，臺(tái)階面采用0.2m網(wǎng)格間距，整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量約為160萬(wàn)。計(jì)算采用FLUENT軟件中的VOF求解器，并進(jìn)行壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的耦合。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行求解，控制方程選用有限體積法，壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的耦合采用SMPLE方法［6］。k-ε雙方程模型有紊動(dòng)能和耗散率兩個(gè)參數(shù)，應(yīng)用范圍最廣但是在臺(tái)階彎曲處會(huì)存在失真。為了提高計(jì)算精度，對(duì)流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)格式。設(shè)計(jì)水位和校核水位2種計(jì)算工況參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2種計(jì)算工況參數(shù)

通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)2次計(jì)算間的質(zhì)量誤差已經(jīng)小于0.1%，由此判斷2次計(jì)算已經(jīng)收斂。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

臺(tái)階式溢洪道的流態(tài)主要有：跌落水流、過(guò)渡水流、滑行水流3種。圖1給出了2種計(jì)算工況下的剖面水流流態(tài)情況。

圖1 2種工況下溢洪道水流流態(tài)

由圖1可以看出，本文模擬的溢洪道水流較為平緩，摻氣沿著豎直面逐漸增多，在溢洪道中墩以后也未出現(xiàn)明顯的水力沖波。數(shù)值結(jié)果表明，校核工況的摻氣位置為第6個(gè)臺(tái)階，而設(shè)計(jì)洪水工況下在第3個(gè)臺(tái)階末端就開(kāi)始摻氣。

隨著水流的高速流動(dòng)，泄流會(huì)出現(xiàn)霧化現(xiàn)象，本文在數(shù)值計(jì)算時(shí)摻氣濃度取值為60%，校核工況水面線(xiàn)分布情況如圖2所示。

圖2 校核工況水面線(xiàn)分布

由圖2可知，滑行流態(tài)下，水面線(xiàn)在前幾個(gè)臺(tái)階處下降速度較快，隨著水流摻氣后，水面線(xiàn)下降的幅度減小。圖3給出了溢洪道校核水位工況下的剖面壓力分布。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在開(kāi)始的幾個(gè)臺(tái)階上存在負(fù)壓區(qū)域。分析產(chǎn)生負(fù)壓的原因可知，可能是水流經(jīng)過(guò)過(guò)渡段時(shí)出現(xiàn)脫壁導(dǎo)致的。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)值和計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)前幾個(gè)臺(tái)階的計(jì)算值較為準(zhǔn)確，后幾個(gè)臺(tái)階出現(xiàn)了一定誤差，其原因可能是實(shí)測(cè)壓力中存在動(dòng)壓。研究表明：臺(tái)階式溢洪道底部壓力最大，自底部向上沿豎直方向逐漸降低到負(fù)壓后，又開(kāi)始增大。

圖3 校核水位工況壓力分布

3 結(jié)語(yǔ)

隨著碾壓混凝土技術(shù)在水利工程中的廣泛應(yīng)用，臺(tái)階式溢洪道水力特性分析越來(lái)越重要。以水利樞紐臺(tái)階式溢洪道為研究對(duì)象，分析了溢洪道的泄洪功能，指出臺(tái)階式溢洪道研究中存在的不足。對(duì)溢洪道水流流態(tài)、水面線(xiàn)、壓力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出：滑行流態(tài)下，前幾個(gè)臺(tái)階處下降速度較快，隨著水流摻氣后，水面線(xiàn)下降的幅度減小；溢洪道底部壓力最大。但是由于計(jì)算模型做了簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況還有一定差距，有必要建立高精度湍流模型，以提升計(jì)算精度。

［1］周斌.多流道式彎道在黃山洞水庫(kù)溢洪道加固中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（05）：81-83+92.

［2］崔華存.小型病險(xiǎn)水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方案［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（03）：62-64.

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A

1672-2469（2015）12-0073-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.026

李彩霞（1982年—），女，工程師。