任 杰 張 爽

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

傳統(tǒng)的水工水力學(xué)分析主要有兩種方法：理論分析方法和物理模型試驗(yàn)方法。近年來(lái)隨著紊流理論的提出和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展[1]，流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法也成為了研究水流的重要手段之一，并且已有諸多學(xué)者采用該種方法在工程上進(jìn)行了應(yīng)用研究，豐富了相關(guān)成果。1985年斯杰克萊大學(xué)的Ellis J[2]提出了很多不同種類的溢洪道數(shù)學(xué)模型，并利用這些數(shù)學(xué)模型預(yù)報(bào)水流流態(tài)情況，經(jīng)與物理模型對(duì)比，兩者的結(jié)果符合較好。日本京都大學(xué)Kawachi，Babar等[3]于1999年結(jié)合有限元和有限體積法提出了一種計(jì)算二維溢洪道流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并將所得計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果符合很好。四川大學(xué)周勤、伍超等[4]對(duì)“S”型溢洪道進(jìn)行了數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)工作，經(jīng)比較分析數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)成果吻合較好。1999年Bruce M.Savage和Michael C.Johnson通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Ogee堰水流參數(shù)的研究，分析比較物理模型和數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù),總結(jié)出數(shù)值模型的研究方法[5]。

本文結(jié)合國(guó)外某水電站工程，在理論方法無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)化分析的前提下運(yùn)用FLOW3D數(shù)值模擬計(jì)算軟件對(duì)復(fù)雜邊界條件下尾水流道的水力學(xué)特性進(jìn)行了三維分析，通過(guò)方案研究成果對(duì)比確定了合適的消能方案，解決了泄水期間尾水建筑物的安全運(yùn)行問(wèn)題，且實(shí)際運(yùn)行良好。

1 工程概況

本研究依托工程為引水式電站，共分為兩級(jí)，正常運(yùn)行時(shí)一級(jí)尾水經(jīng)尾水渠進(jìn)入引水前池，并通過(guò)隧洞引至二級(jí)，其發(fā)電流量為21.4 m3/s。當(dāng)二級(jí)引水前池需要進(jìn)行檢修時(shí)水流沿分流渠和溢洪道泄向下游河道，建筑物平面布置如圖1所示。檢修期間尾水下泄需經(jīng)過(guò)混凝土箱涵(含兩個(gè)轉(zhuǎn)彎段)、分流渠閘室、分流渠兩級(jí)底坎和溢洪道臺(tái)階等建筑物，水流邊界變化較多，且存在直角轉(zhuǎn)彎等現(xiàn)象。

根據(jù)分流渠與溢洪道連接段的布置情況，分別考慮了兩種結(jié)構(gòu)型式，兩種方案布置型式見(jiàn)圖2。分流渠閘室下游側(cè)均設(shè)置了水跌進(jìn)行消能，方案一采用下游溢洪道一級(jí)臺(tái)階跌坎內(nèi)的水躍消能，方案二采用輔助消力墩進(jìn)行消能，并對(duì)右邊墻進(jìn)行局部加高。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

分流渠計(jì)算模型分別包括廠房尾水管、分流渠箱涵、分流渠閘室、兩級(jí)跌坎及臺(tái)階式溢洪道，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。紊流計(jì)算模型采用k-ε模型，離散方程采用軟件自帶的有限體積法。為了獲得較為準(zhǔn)確的水面流動(dòng)情況，應(yīng)用該軟件獨(dú)有的Tru-VOF法進(jìn)行自由表面追蹤，該方法根據(jù)體積函數(shù)進(jìn)行水氣比例計(jì)算，函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

(1)

2.2 網(wǎng)格剖分

利用FLOW3D獨(dú)有的FAVOR方法，整體模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)于復(fù)雜幾何形狀該種網(wǎng)格分析方法更為簡(jiǎn)便和快速?？紤]到計(jì)算模型的尺寸規(guī)模，x,y,z三個(gè)方向上的網(wǎng)格尺寸均為0.2 m，計(jì)算網(wǎng)格總計(jì)258 703個(gè)。

3 邊界條件

尾水管頂部入流口采用FLOW3D中的Mass Momentum Sources設(shè)定穩(wěn)定的電站機(jī)組尾水流量21.4 m3/s，每個(gè)機(jī)組為10.7 m3/s。模型上部與溢洪道下游側(cè)設(shè)定為壓力邊界(Specified pressure)，其余邊界為默認(rèn)的對(duì)稱邊界(Symmetry)。

4 結(jié)果分析

4.1 流態(tài)及流速分析

在相同尾水流量下，當(dāng)計(jì)算收斂后停止計(jì)算。圖4分別給出了不同方案水流到達(dá)溢洪道右邊墻瞬間和水流穩(wěn)定后的兩種流態(tài)對(duì)比結(jié)果，分流渠典型縱剖面(左邊墻附近剖面、中軸線剖面、右邊墻附近剖面)流速云圖對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。

方案一中水流經(jīng)過(guò)分流渠跌坎消能后以較大速度進(jìn)入溢洪道一級(jí)臺(tái)階跌坎內(nèi)部，水流在溢洪道右邊墻處受邊界影響快速雍高并進(jìn)行直角轉(zhuǎn)彎，隨后沿臺(tái)階頂部下泄。水流流態(tài)穩(wěn)定后大部分主流集中在溢洪道右邊墻附近，導(dǎo)致水流下泄不均。同時(shí)由于水流集中下泄的影響，計(jì)算結(jié)果中顯示溢洪道臺(tái)階頂部水面線已到達(dá)計(jì)算區(qū)域邊界，說(shuō)明水面線超過(guò)了墻頂高程，因此方案一中溢洪道右邊墻高度不滿足要求，該方案無(wú)法保證安全運(yùn)行。

方案二中水流受消力墩影響在分流渠跌坎下部便開(kāi)始進(jìn)行碰撞消能。由于水流紊動(dòng)增強(qiáng)的效果，水流在消力墩區(qū)域較方案一水面線有所抬升，因而流速也顯著降低。當(dāng)水流到達(dá)右邊墻時(shí)流速相比方案一已有所減小，因此直角轉(zhuǎn)彎處的水面雍高效果也小于方案一。流態(tài)穩(wěn)定后方案二中水流下泄分布情況明顯改善，水流在消力墩區(qū)域便已開(kāi)始下泄，避免了水流集中效應(yīng)的產(chǎn)生，也使得溢洪道右邊墻附近的水面線降低。

4.2 消能率分析

根據(jù)圖5中不同方案流速云圖對(duì)比可以看出，本工程中解決彎道水流復(fù)雜邊界下不利流態(tài)的關(guān)鍵在于降低水流流速，兩種方案下分流渠跌坎下部縱剖面流速?gòu)? m/s～7 m/s降低到3 m/s～4 m/s，消力墩消能作用明顯。為了定量說(shuō)明消力墩的消能作用，針對(duì)兩個(gè)方案分別選取消力墩上下游兩個(gè)典型斷面進(jìn)行能量比較，計(jì)算原理見(jiàn)公式(2)[6]。

計(jì)算斷面如圖6所示。方案一計(jì)算的消能率為5.2%，方案二計(jì)算消能率為23.6%。因此消能計(jì)算結(jié)果與流態(tài)及流速矢量圖中的規(guī)律一致，消力墩起到了增強(qiáng)水流紊動(dòng)效果，消能率較大。

兩個(gè)斷面的能量可按式(2)求得：

(2)

相對(duì)消能率：

5 結(jié)語(yǔ)

該消能方案研究成果已用于項(xiàng)目中實(shí)施，且分流渠及溢洪道運(yùn)行良好，通過(guò)采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)復(fù)雜尾水流道消能方案的研究分析，對(duì)分流渠的細(xì)部設(shè)計(jì)進(jìn)行了定性分析和定量計(jì)算，比選出了較優(yōu)的布置方案，得出如下結(jié)論：

1)復(fù)雜尾水流道下應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)分析可得出較為全面的水力學(xué)計(jì)算結(jié)果，且計(jì)算結(jié)果與水流實(shí)際運(yùn)行情況吻合度高，可見(jiàn)小尺度復(fù)雜邊界條件下的數(shù)值模擬計(jì)算精度滿足工程實(shí)際要求，有助于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。2)當(dāng)采用理論計(jì)算方法對(duì)復(fù)雜邊界下水流無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，且無(wú)條件開(kāi)展物理模型試驗(yàn)時(shí)，可運(yùn)用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行替代分析。3)通過(guò)實(shí)際案例應(yīng)用分析，數(shù)值模擬技術(shù)(FLOW3D軟件)在進(jìn)行水利水電工程流道設(shè)計(jì)中具有快速直觀的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，可快速進(jìn)行不同方案的比選，避免了物理模型試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。