侯 明 瑞

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450005)

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溢流堰面水流的數(shù)值模擬

侯 明 瑞

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450005)

針對傳統(tǒng)堰面設(shè)計方法中的不足，利用數(shù)值模擬方法，對三種不同典型堰剖面的過堰水流進(jìn)行模擬，分析了不同剖面形狀對堰面動水壓強的影響，可為溢流堰剖面曲線的科學(xué)設(shè)計提供參考。

溢流堰，堰剖面，數(shù)值模擬，動水壓強

0 引言

出于防洪、發(fā)電及灌溉等目的，人類在自然河流上修建大壩乃至更為復(fù)雜的水利樞紐工程以期抬高水位蓄積水流勢能。在實際應(yīng)用中，出于水利樞紐安全或為即將來臨的洪水提供更多庫容等方面的考慮，往往需通過溢流的方式將多余水流傾瀉至下游。最常用的泄流方式是通過閘門控制，將水流通過溢流堰下泄。水流在溢流堰上的運動是一個典型的由勢能直接轉(zhuǎn)化為水流動能的過程，并且這一過程流程短，轉(zhuǎn)化速度極快，使得從溢流堰面下泄的水流具有動能大、功率高的特點。因此必須對溢流堰面曲線進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計，在獲得盡可能大的過流能力的同時，盡量避免堰面出現(xiàn)負(fù)壓進(jìn)而產(chǎn)生空化空蝕對堰面產(chǎn)生破壞。

1 傳統(tǒng)堰面設(shè)計

實用堰剖面形狀的研究由來已久。早期的研究思路主要是以薄壁堰下泄水流時產(chǎn)生的水舌下沿形狀作為基礎(chǔ)并對其進(jìn)行修正。巴贊早在1888年即據(jù)此提出了巴贊實用堰剖面，該剖面理論上可以避免負(fù)壓產(chǎn)生，但在后來的實際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)由于堰面本身的不平整等原因仍可能產(chǎn)生嚴(yán)重空蝕。之后在水利工程建設(shè)的巨大需求下，又研究出“克里格—奧菲采洛夫剖面”“Ogee剖面”及“WES剖面”等，其中“WES剖面”在我國的應(yīng)用較為廣泛[1-3]。雖然上述剖面一定程度上滿足了工程設(shè)計的需求，但其缺點也是較為明顯的。首先，上述剖面的研究方法主要采用傳統(tǒng)水力學(xué)方法，其計算公式以及公式中的大量系數(shù)是經(jīng)驗性的，且具有一定的變動范圍，因此對于特定工程必須進(jìn)行大量實驗研究來進(jìn)行確定。其次，傳統(tǒng)方法只能對剖面上發(fā)生的高速水流的平均狀況進(jìn)行考察，而對于不同情形(如變動的水頭)以及流動細(xì)節(jié)(如堰面任一點的壓強)等則無法計算。因此，采用數(shù)值模擬手段對不同實用堰剖面的堰面水流流場進(jìn)行模擬，不僅能避免傳統(tǒng)方法帶來的不足，而且可以快速篩選所需堰型，大大提高設(shè)計效率。

2 幾種典型堰剖面的數(shù)值模擬

2.1 模擬的基本原理

對于一般水流現(xiàn)象的數(shù)值模擬主要是通過對流體力學(xué)的“連續(xù)方程”“動量方程”及“能量方程”在計算域內(nèi)進(jìn)行離散化，得到在有限計算節(jié)點或網(wǎng)格上的代數(shù)方程，同時引入適當(dāng)?shù)奈闪髂Ｐ?，最終形成大型代數(shù)方程組進(jìn)行求解[4]，其具體方法在文獻(xiàn)中已有完整描述，限于篇幅，在此不再贅述。

2.2 幾個典型堰面曲線的擬定

前已述及，實用堰的堰面曲線主要是在薄壁堰下泄水舌形狀的基礎(chǔ)上修改而成。因此，本研究也以薄壁堰下泄水舌形狀為基準(zhǔn)，其剖面基準(zhǔn)形狀及邊界條件參數(shù)如圖1所示?；居嬎愎r主要區(qū)別以BC段長度和CD段坡度進(jìn)行控制，見表1。

表1 計算工況及堰面參數(shù)特征

工況名稱BC段水平長度/mCD段坡度ma堰型工況一15.61∶0.57偏胖工況二14.11∶0.6較胖工況三12.51∶0.7適中工況四9.51∶0.9較瘦工況五9.11∶0.93偏瘦

2.3 模擬結(jié)果及分析

1)堰面壓力分布。限于篇幅，圖2僅給出工況一、三、五等3種典型情形下模擬得到的堰面動水壓力分布圖(其他三種情形分別介于上述工況之間)，從圖中可以看出，對于“偏胖”的工況一，其堰面壓強普遍分布于16 kPa～18 kPa，動水壓力較大；而對于“偏瘦”的工況五的堰面壓強則分布于5 kPa～9 kPa；堰面動水壓強已經(jīng)很小；工況三則介于上述兩情形之間。在實際應(yīng)用中，上游作用水頭可能會在一定范圍內(nèi)變動：對于本研究所涉及的算例而言，當(dāng)作用水頭從5 m開始逐漸增大時，工況三的堰面壓力將會進(jìn)一步降低直至產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而增加堰面產(chǎn)生空化空蝕破壞的危險，而工況一、三則相對安全。

2)堰面的過流能力。將模擬得到的各工況過堰流量繪制于圖3。從圖3中可以看到，隨著溢流堰體型從“胖”到“瘦”，其過流能力將相應(yīng)增加，其原因與前述的堰面壓力分布有關(guān)。對于較“胖”體型而言，體型所造成的堰面的偏大的動水壓強，實際上起到了減小上下游有效作用水頭的作用，進(jìn)而減小了堰面的過流能力(流量)。而較“瘦”的體型則正好相反，其體型所形成的較小的動水壓強，反過來起到了增大有效作用水頭的效果，從而使其過流能力有所增加。但從圖3中看，經(jīng)過了體型較為適中的工況三后，工況四、五的過流能力雖有所增加，但增幅較緩。

3 結(jié)語

本研究利用數(shù)值模擬方法對不同堰面體型的過流能力和堰面動水壓強分布進(jìn)行了對比計算。計算表明：堰剖面設(shè)計過于窄瘦，雖然工程量較小且有利于提高堰體的過流能力，其可能產(chǎn)生的負(fù)壓存在空化空蝕的不利趨勢。而堰面設(shè)計過于寬胖，雖然可有效避免負(fù)壓問題，但其過流能力會大大減小，降低了實用堰的效能。以薄壁堰下泄水舌為基本形狀進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整是適合的。

[1] 吳持恭.水力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2003.

[2] 田嘉寧,吳文平,韓 嶼.泄水建筑物體形設(shè)計[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[3] 華東水利學(xué)院.水工設(shè)計手冊(第6卷) 泄水與過壩建筑物[M].北京:水利電力出版社,1982.

[4] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析:CFD 軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

Numerical simulation of water flow of overflow dam

Hou Mingrui

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450005,China)

In light of traditional overflow dam design method defects, applying numerical simulation method, the paper carries out numerical simulation of water flow of three kinds of overflow dam, and analyzes the impact of various section shapes upon hydraulic pressure, which can provide some guidance for scientifically designing overflow dam section curve.

overflow dam, dam section, numerical simulation, hydraulic pressure

1009-6825(2016)05-0238-02

2015-12-02

侯明瑞(1988- )，女，在讀碩士

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