虞佳穎，宋文武，陳建旭，羅 旭，萬(wàn) 倫

(1.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州311231；3.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610039；4.西昌學(xué)院土木與水利工程學(xué)院，四川西昌615013)

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，不僅可在溢流壩[1]進(jìn)行挑流消能的數(shù)值模擬，對(duì)于一些異形挑流鼻坎[2]也能通過(guò)數(shù)值模擬手段得到與原位試驗(yàn)或原形試驗(yàn)基本吻合的水面線、水舌流速[3]及形態(tài)。目前國(guó)內(nèi)外的差動(dòng)式消能研究[4]主要是對(duì)已有的挑流鼻坎體形[5]進(jìn)行數(shù)值模擬分析。而本文獨(dú)創(chuàng)性地提出了一種新型縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑坎，并基于《水力計(jì)算手冊(cè)》[6]和《水工設(shè)計(jì)書冊(cè)》[7]對(duì)其進(jìn)行符合工程規(guī)范的體形參數(shù)設(shè)計(jì)，在采用數(shù)值模擬手段后運(yùn)用挑距、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率、壓強(qiáng)分布等指標(biāo)衡量，發(fā)現(xiàn)此種新型差動(dòng)式挑坎具有較為理想的消能效果，具有一定工程參考價(jià)值。

1 縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑流鼻坎

常見(jiàn)差動(dòng)式挑流鼻坎的高低坎末端都位于同一橫剖面上，意味著流經(jīng)兩種挑坎水舌挑距的起點(diǎn)相同、入水單寬流量較大，對(duì)下游的局部沖刷較為嚴(yán)重。而縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑流鼻坎能通過(guò)鼻坎體形有效控制射流落入下游河床的位置、范圍及流量分布，有利于保護(hù)基礎(chǔ)穩(wěn)定。

此種縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑流鼻坎的主要體形參數(shù)有溢流堰面坡比m，高坎反弧半徑R1和高坎挑腳θ1，低坎反弧半徑R2和低坎挑角θ2以及高低坎共同坎高a。具體尺寸見(jiàn)圖1。數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖2。流經(jīng)此種新型鼻坎的水舌流態(tài)復(fù)雜，多股水流混摻，故本文在前期工作上，對(duì)縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑坎進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)探討其水力特性中的挑距長(zhǎng)度規(guī)律。并結(jié)合湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率及壓強(qiáng)分布這幾個(gè)指標(biāo)綜合衡量縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑流鼻坎的消能效果。

圖1 挑流鼻坎剖面

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

本文采用RNGκ-ε紊流模型，該模型考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，在處理流線彎曲程度較大的流動(dòng)方面，比標(biāo)準(zhǔn)κ-ε紊流模型精度更高。

本文采用ICEM軟件繪制非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將固壁邊界定義為無(wú)滑移邊界，進(jìn)口設(shè)置分為速度進(jìn)口和壓力進(jìn)口，出口處自由出流，X方向范圍為0+0.00～0+80.00，Y方向范圍為0+0.00～0+20.00，Z方向范圍為0+0.00～0+12.00。在水力特性變化較大的鼻坎和下游河床處加密網(wǎng)格，共計(jì)網(wǎng)格數(shù)量約51萬(wàn)。模擬計(jì)算工況的上游水位為3 m，對(duì)應(yīng)下游水位2 m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 泄流流態(tài)及挑距

按照上述挑距估算公式獲得挑角和挑距之間關(guān)系如表1和圖3所示。表1中挑選了部分特殊挑角下的挑距估算值。其中包含了本次新型縱向錯(cuò)落差動(dòng)式所選用的兩種挑角。而圖3則詳細(xì)反映了挑角從5°到60°時(shí)的挑距估算值，從圖3可得，挑距隨挑角取值的增大，呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律，存在某個(gè)最優(yōu)挑角使得挑距估算值最大。而本文在可能出現(xiàn)最大估算挑距的挑角取值區(qū)間(20°～30°)采用點(diǎn)加密手段，來(lái)用估算手段盡可能探求會(huì)出現(xiàn)的挑距最大值。然而從圖3中得到的挑距最大估算值仍然小于挑距最大數(shù)值模擬值。

表1 由挑距估算公式所得的挑距和挑距關(guān)系

圖3 挑角和估算挑距關(guān)系示意

圖4 水體積分?jǐn)?shù)云圖

根據(jù)上述挑流消能水力計(jì)算中的水舌挑距估算公式可得，如果采用25°挑角的連續(xù)式挑坎，挑坎坎頂至水舌外緣與下游水面交點(diǎn)的水平挑距為8.900 m，如果采用35°挑角的連續(xù)式挑坎，其水平挑距為8.898 m。圖4為水體積分?jǐn)?shù)云圖，觀察圖4a中，在右側(cè)低坎中軸線橫剖面(Z=2 m)上，水舌挑距約為15.2 m，在中間高坎中軸線橫剖面圖4b(Z=6 m)上，水舌在尚未接觸到下游河面時(shí)氣體的體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)高達(dá)77%，一般上將氣體體積分?jǐn)?shù)50%的線定為水面線分界線，可見(jiàn)此處設(shè)置挑坎末端提前的高坎消能效果較為理想，而圖4c為左側(cè)低坎中軸線(Z=10 m)的水氣分布圖，所顯示挑距也大致相同。無(wú)論哪個(gè)剖面圖所顯示的水舌挑距都遠(yuǎn)大于通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式的估算值。即從數(shù)值模擬角度看，此新型縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑坎的鼻坎體型明顯增加挑距，利于將水流挑離堰址。究其原因，可能是由于此種新型差動(dòng)式挑坎的高低坎在Y方向和X方向上形成的雙重錯(cuò)落體型造成的挑距大幅度增加。高低坎的不同挑射角度使得下泄水流在橫向上有較大分布，而與一般差動(dòng)坎不同的是，縱向上高低坎的長(zhǎng)度不一致會(huì)使得水流的起挑點(diǎn)位置不一樣，兩種挑角的水舌可以在空中相互碰撞消能的同時(shí)，又增加了與空氣的接觸面積，可以摻氣消能。

3.2 湍動(dòng)能

因?yàn)樵赯=4 m和Z=8 m處，分別是左右兩側(cè)的低坎與中間高坎交界面，且圖5中的分布規(guī)律大致相同，且挑射水舌對(duì)下游河流的河面表層造成了輕微的紊動(dòng)能，對(duì)河流內(nèi)部沒(méi)有較多影響。符合實(shí)際情況?？梢詮膱D5中看出，湍動(dòng)能最大點(diǎn)不是反弧半徑段的最低點(diǎn)，而在溢流堰面與反弧半徑交接處湍動(dòng)能數(shù)值相對(duì)其他地方較大，約為1.2 m2/s2。有別于普通的差動(dòng)式挑流鼻坎，在低坎的坎后會(huì)形成兩股位置不同的湍動(dòng)能，一股和挑射水舌的走向趨勢(shì)大致吻合，所顯示的是射流在空氣中的分布位置，反映水舌的摻氣情況。可看出水舌中心部分的湍動(dòng)能值依然較大，達(dá)到0.8 m2/s2，并在水舌挑距的1/2到2/3處減小為0.4 m2/s2。而另外一股湍動(dòng)能在低坎的坎后斜坡面處形成，位于挑射水舌的下部，成平拋運(yùn)動(dòng)的弧線?？梢?jiàn)此種新型挑坎的優(yōu)勢(shì)在于比普通差動(dòng)式挑坎多了斜坎后面的水舌下方湍動(dòng)能耗散，更有利于能量的消殺。

圖5 湍動(dòng)能等值線

3.3 湍動(dòng)能耗散率

同樣截取上述高低坎相交的兩個(gè)界面觀察湍動(dòng)能耗散率的情況，如圖6所示?？芍?，湍動(dòng)能耗散率在挑流鼻坎處大致分為上下兩部分。即中間存在耗散率為0的長(zhǎng)條段。湍動(dòng)能耗散值較大的地方主要集中在反弧半徑段和挑流鼻坎交界處以及高坎后部。與普通差動(dòng)式挑流鼻坎相比，高坎后部的湍動(dòng)能耗散率較大。換言之，此新型挑流鼻坎在單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量流體損耗的湍流動(dòng)能較大，有利于將能量在短時(shí)間內(nèi)快速消散，且在與下游河流的接觸面上，也有較大的湍動(dòng)能耗散率。

圖6 湍動(dòng)能耗散率等值線

3.4 溢洪道及挑流鼻坎段壓強(qiáng)分布

由P=ρ液gh可知，水壓隨著深度h增加而變大。圖7為溢洪道及挑流鼻坎處壓強(qiáng)云圖，由圖7a、7b可知，壓強(qiáng)和深度成正相關(guān)，表明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況符合。且由于X=2 m和X=6 m各自還處于Y軸方向上等高的溢流堰段，故水壓在Z軸方向上保持水平分布。而由于溢流堰傾角的存在，故X=6 m的水壓分布比X=2 m的壓強(qiáng)分布在Y軸方向上的位置要低些。而從X=10 m附近，下泄水流進(jìn)入挑流鼻坎段，觀察X=10、11、11.5 m可以發(fā)現(xiàn)流經(jīng)中間高坎的水流水位開始逐漸壅高，即表現(xiàn)為中部水壓分布位置小幅度上移，而左右兩側(cè)的低坎壓強(qiáng)分布位置幾乎不變。這是由于高坎的挑角比位于同一起挑橫剖面的低坎挑角大10°造成的。從X=12.5、13.5、14.5 m可看出，無(wú)論是高坎還是低坎，其分布的水壓均逐步得到了有效減少，顯示出此種新型縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑流鼻坎的優(yōu)勢(shì)所在，可明顯減小對(duì)挑流鼻坎的壓力。并且觀察上述圖中，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示此鼻坎并沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，換言之，它不容易出現(xiàn)普通差動(dòng)式經(jīng)常面臨的空蝕空化問(wèn)題，具有較為理想的工程實(shí)際運(yùn)用可行性。

圖7 溢洪道及挑流鼻坎處壓強(qiáng)云圖

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)此新型縱向錯(cuò)落差動(dòng)式挑坎的水力特性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，可得出以下結(jié)論：

(1)此種新型挑坎數(shù)值模擬得到的挑距比原有普通差動(dòng)式運(yùn)用估算結(jié)果得到的挑距增大60%左右，可見(jiàn)其能將下泄水舌更遠(yuǎn)地挑離堰址，有利于保護(hù)基礎(chǔ)的穩(wěn)定。換言之，對(duì)此種新型挑坎而言，目前工程上普遍采用的挑距估算公式已經(jīng)不再適用，今后可以逐步探求新的挑距估算公式。

(2)有別于普通差動(dòng)式挑坎，此種新型挑坎的坎后存在一定程度的湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率。相比之下，其更具有能夠?qū)⑾滦顾髂芰靠焖傧⒌哪芰ΑＧ腋叩涂驳牡葘捲O(shè)置對(duì)下泄水舌的流量均勻分配起到關(guān)鍵作用。而高坎較短的縱向長(zhǎng)度則明顯調(diào)整了中間下泄水流的起挑位置，增大對(duì)下游沖刷的面積，從而達(dá)到降低局部沖刷點(diǎn)壓強(qiáng)的目的，可以較好的保護(hù)地基。

(3)此種新型挑坎的鼻坎處壓強(qiáng)順?biāo)鞣较蛑饾u減小，且沒(méi)有出現(xiàn)容易發(fā)生空蝕空化的負(fù)壓區(qū)，在保證消能效果的前提下，預(yù)期可效延長(zhǎng)泄水建筑物的使用壽命，具有一定工程參考價(jià)值。