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        基于UG-FLUENT的溢洪道消力池水力特性影響研究

        2022-07-16 15:56:44王星彥呂曉云
        海河水利 2022年3期
        關(guān)鍵詞:消力消力池溢洪道

        許 超,王星彥,呂曉云

        (江蘇省水利工程科技咨詢(xún)股份有限公司,江蘇 南京 210000)

        消力池作為水工建筑中重要消能防沖設(shè)施,其水力特征穩(wěn)定性與泄流量及設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)[1,2],開(kāi)展消力池水力特征分析有助于推動(dòng)消力池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平與滲流場(chǎng)安全契合。壓強(qiáng)是反映水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)可靠性的重要參數(shù),從壓強(qiáng)參數(shù)分析入手,探討消力池等水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)下流場(chǎng)的影響特性[3,4],對(duì)工程設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。戴涓等[5]、盧洋亮等[6]、謝先坤[7]根據(jù)模型試驗(yàn)理論,利用材料復(fù)制比尺關(guān)系設(shè)計(jì)開(kāi)展了室內(nèi)水工模型試驗(yàn),研究了溢洪道、水閘及消力池等水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期流速、水位等特征。邢磊磊[8]、秦亞斌等[9]、馬志軍等[10]從結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力場(chǎng)計(jì)算考慮,采用ANSYS、ABAQUS、COMSOL 等數(shù)值計(jì)算軟件分析了水閘、壩體及泵站等水利設(shè)施的應(yīng)力、位移特征,獲得了水利結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力場(chǎng)響應(yīng)特性與設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系,從運(yùn)營(yíng)安全考慮,優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。華中等[11]、劉波[12]、徐庶偉[13]采用FLUENT、MIKE21 等流場(chǎng)計(jì)算平臺(tái),建立計(jì)算模型,從實(shí)際工況荷載入手,探討溢洪道、閘門(mén)等水工結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)影響變化,評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)或荷載工況對(duì)滲流場(chǎng)內(nèi)流速、水位及水沙演變影響,為工程建設(shè)提供依據(jù)。基于淮安水利樞紐溢洪道消力池水力特征研究問(wèn)題,利用UGFLUENT 平臺(tái)開(kāi)展了滲流場(chǎng)壓強(qiáng)特征分析,探討了流量、坎高對(duì)消力池靜、脈動(dòng)壓強(qiáng)影響,為消力池設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。

        1 工程設(shè)計(jì)模擬

        1.1 工程概況

        淮安水利樞紐是地區(qū)重要控流、取水調(diào)水、排澇防洪、通航發(fā)電的綜合水利設(shè)施,主要水工建筑包括攔水大壩、溢洪道、泄洪閘及引水渠道等,其中上游蓄水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容為635 萬(wàn)m3,最大可調(diào)度水資源超過(guò)設(shè)計(jì)庫(kù)容的70%,為地區(qū)工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)灌溉提供重要保障。攔水大壩建設(shè)高程35.5 m,按照100 a一遇洪水水位設(shè)計(jì)防洪,壩基處鋪設(shè)厚度為0.3 m的防滲墊層。大壩采用混凝土重力壩設(shè)計(jì)形式,沿壩軸線全長(zhǎng)約455 m,壩頂寬度4 m,防滲設(shè)計(jì)方案為水面板與防滲墻的聯(lián)合體,可以有效降低壩身內(nèi)滲流活動(dòng),監(jiān)測(cè)表明壩基處流速穩(wěn)定在0.8~1 m/s,無(wú)顯著渦旋及紊流現(xiàn)象產(chǎn)生,滲流活動(dòng)較佳。該樞紐設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為550 MW,年發(fā)電量可保障地區(qū)生活用電。泄洪閘位于主壩右岸,設(shè)計(jì)最大泄流量355 m3/s,采用多孔式閘門(mén)設(shè)計(jì)形態(tài),單孔凈寬3.2 m,共6孔,以預(yù)應(yīng)力錨索為泄洪閘墩加固支撐形式,最大張拉荷載1 750 kN,墩徑1.6 m,配置有橫、縱連系梁作為泄洪閘承重加固結(jié)構(gòu),每根支撐梁均采用腹板高厚比為0.7的型鋼材料,運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)表明其結(jié)構(gòu)內(nèi)最大拉應(yīng)力未超過(guò)1.6 MPa。引水渠道建設(shè)長(zhǎng)度55 km,采用主渠與支渠橫貫方式,渠首流量為0.7 m3/s,全渠道斷面上均采用防滲混凝土砌塊作為襯砌結(jié)構(gòu),可以有效減少渠坡對(duì)輸水耗散的影響,監(jiān)測(cè)得到渠道內(nèi)全年輸水耗散率不超過(guò)20%。溢洪道采用正槽開(kāi)敞式設(shè)計(jì),堰頂高程33.6 m,水工結(jié)構(gòu)包括進(jìn)出水段、溢流段、消力池及尾水渠等,全軸線長(zhǎng)度30 m,其中溢流段長(zhǎng)度占50%,坡度為1/3,采用多級(jí)階梯式溢流設(shè)計(jì),可以減弱泄流水力勢(shì)能沖擊影響,尾水渠滲透坡降設(shè)計(jì)為0.005,其設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

        圖1 溢洪道斷面

        溢流面上共有24個(gè)階梯,最大階高35 cm,溢洪洞采用上弧下方體型設(shè)計(jì),截面高度0.82 m,寬度0.72 m,截面體型如圖2所示。溢洪道下游消力池內(nèi)深度為1 m,軸線長(zhǎng)度為5 m,池首設(shè)計(jì)下泄流量100 m2/s,消能防沖水位28.6 m,按照30 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)消能防沖,兩側(cè)建設(shè)有翼墻,可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗水力沖刷作用。該水利樞紐另配置有T形寬尾墩作為聯(lián)合消能,但由于寬尾墩受限于池內(nèi)水位及自身結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)影響,消能降沖效率大大降低。為此,工程設(shè)計(jì)部門(mén)考慮對(duì)溢洪道消力池內(nèi)坎高進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,評(píng)價(jià)不同坎高方案下消力池內(nèi)水力特征,進(jìn)而評(píng)價(jià)工程設(shè)計(jì)的最優(yōu)化,最終達(dá)到提升整體溢洪道降沖效果。

        圖2 溢洪洞截面

        1.2 工程設(shè)計(jì)

        為探討溢洪道消力池坎高設(shè)計(jì)方案,利用UG建模平臺(tái)構(gòu)建起整體溢洪道幾何模型[14],如圖3 所示。該模型中設(shè)定尾水渠長(zhǎng)度為8 m,為簡(jiǎn)化模型計(jì)算過(guò)程,溢流面設(shè)計(jì)為平坡面,進(jìn)、出水段長(zhǎng)度以實(shí)際參數(shù)設(shè)定。另T 形寬尾墩由于消能效果欠佳,對(duì)消力池的輔助作用較小,模型中將其簡(jiǎn)化。

        圖3 溢洪道幾何模型

        經(jīng)UG建模平臺(tái)創(chuàng)建模型后,導(dǎo)入至FLUENT流場(chǎng)模擬平臺(tái)[13,15],并經(jīng)網(wǎng)格劃分獲得模型如圖4 所示,包括溢洪道整體斷面模型與消力池模型,其中消力池模型是本文研究重點(diǎn),池壁及池底等部位重點(diǎn)加密劃分,共有計(jì)算微單元45 826 個(gè)、節(jié)點(diǎn)38 276個(gè)。本模型中頂、底面均設(shè)置有全自由度與法向約束邊界,頂部可與大氣相通交換;溢洪道進(jìn)水段給定為流速控制邊界條件,而尾水渠與消力池接觸面設(shè)定為壓強(qiáng)控制邊界條件。計(jì)算模型中X、Y、Z 正向分別設(shè)定為泄流向消力池方向、水流向右翼?yè)鯄Ψ较蚣敖Y(jié)構(gòu)自重應(yīng)力方向。

        圖4 流場(chǎng)計(jì)算模型

        消力坎作為消能的重要水工結(jié)構(gòu),其坎高設(shè)計(jì)關(guān)乎降沖效率,基于溢洪道實(shí)際運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)消力池坎高為0(無(wú)消力坎)、5、10、15、20、25、30 cm,在其他參數(shù)保持一致的工況下計(jì)算消力池水力特征,另根據(jù)溢洪道泄流標(biāo)準(zhǔn)的30%~80%設(shè)計(jì)上游來(lái)水泄流量分別為30、40、50、60、70、80 m3/s?;谏鲜霾煌沽髁糠桨搁_(kāi)展消力池坎高影響池內(nèi)水力特征計(jì)算分析,并重點(diǎn)分析池內(nèi)底板各高程測(cè)點(diǎn)上的水力特征,A~H斷面計(jì)算特征點(diǎn)分布如圖5所示。

        圖5 斷面計(jì)算特征點(diǎn)分布

        2 流量變化對(duì)消力池水力特征影響

        2.1 靜壓強(qiáng)特征

        對(duì)不同流量下消力池內(nèi)水力特征開(kāi)展計(jì)算,獲得不同特征點(diǎn)斷面上靜壓強(qiáng)變化特征,如圖6所示,本文所計(jì)算的消力池靜壓強(qiáng)分為池底與與邊墻連接點(diǎn)。

        圖6 流量影響下特征斷面上靜壓強(qiáng)變化

        依據(jù)消力池水力特征分析可知,在池底處?kù)o壓強(qiáng)以低流量下為最大,流量30 m3/s下A~H 特征點(diǎn)斷面上平均靜壓強(qiáng)為3.34 kPa,而流量50、70 m3/s 下斷面平均靜壓強(qiáng)較前者分別下降41.3%、59.3%,從流量影響靜壓強(qiáng)整體來(lái)看,流量每增加10 m3/s,則斷面上平均靜壓強(qiáng)可下降20%。筆者認(rèn)為,流量愈大,消力池前段水體積累愈少,而大量的水體往下游集中,消力池內(nèi)水能跳躍性變化點(diǎn)也往后推遲,造成流量特征值與靜壓強(qiáng)具有負(fù)相關(guān)變化關(guān)系。從斷面各特征點(diǎn)壓強(qiáng)變化可知,特征點(diǎn)斷面愈靠近消力池中、下游,則壓強(qiáng)水平愈高,以流量40 m3/s 為例,其在特征點(diǎn)A 處?kù)o壓強(qiáng)為1.43 kPa,而在特征點(diǎn)C、E、G 上壓強(qiáng)分別較前者上升53.1%、104.5%、92.2%;當(dāng)流量增大后,壓強(qiáng)水平隨特征點(diǎn)往中、下游延伸,增大趨勢(shì)有所減弱,此與高流量下水躍性有關(guān)。另一方面,邊墻連接點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)在各流量工況中變化特征與池底基本類(lèi)似,但高流量下壓強(qiáng)波動(dòng)性減弱,在流量70 m3/s 下靜壓強(qiáng)在A~E 特征點(diǎn)上均為0,在F 特征點(diǎn)后才具正壓強(qiáng),整體穩(wěn)定性較好,但壓強(qiáng)水平整體低于池底計(jì)算點(diǎn)。在相同流量30 m3/s 下邊墻連接點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)分布為1.22~1.98 kPa,較之池底計(jì)算點(diǎn)上降低38.6%~61.4%;對(duì)比斷面平均靜壓強(qiáng)可知,邊墻連接點(diǎn)上流量30~70 m3/s 下平均靜壓強(qiáng)分布為0.57~1.61 kPa,較之池底計(jì)算點(diǎn)的降幅為47.6%~58.1%。池底計(jì)算點(diǎn)高程大于池底,表明消力池內(nèi)高程愈大,則靜壓強(qiáng)愈低,穩(wěn)定性趨好。

        2.2 脈動(dòng)壓強(qiáng)特征

        脈動(dòng)壓強(qiáng)反映了水工建筑受水力沖刷作用下動(dòng)力響應(yīng)特性,本文根據(jù)滲流場(chǎng)模擬計(jì)算獲得脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差特征參數(shù),該參數(shù)乃是脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值特征值。其計(jì)算公式為:

        基于此,獲得不同流量下池底計(jì)算點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差參數(shù)變化特征,如圖7 所示。從圖7 可看出,脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差參數(shù)與流量值具有正相關(guān)關(guān)系,在流量30 m3/s 下A 特征點(diǎn)斷面上脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值為0.013 kPa2,而流量40、70 m3/s 下脈動(dòng)壓強(qiáng)方差參數(shù)較前者分別上升1.38 倍、9.25 倍,全斷面上流量30 m3/s下的平均方差參數(shù)值為0.069 kPa2,而流量每增大10 m3/s,則平均方差參數(shù)值可增長(zhǎng)34.5%,即流量愈大,消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)愈高,受紊流擾動(dòng)作用愈強(qiáng),形成的渦流、紊動(dòng)效應(yīng)愈大。分析各特征點(diǎn)斷面上脈動(dòng)壓強(qiáng)方差變化可知,在流量30 m3/s 下最大方差參數(shù)值位于斷面G 上,后在斷面上遞減至穩(wěn)定狀態(tài);同樣在流量40、60 m3/s 下分別在斷面F、G 上達(dá)到最大壓強(qiáng),此時(shí)紊流最強(qiáng)烈,后趨于平穩(wěn)[16]。由此可見(jiàn),消力池內(nèi)最易受脈動(dòng)壓強(qiáng)破壞威脅點(diǎn)位于中部斷面F~G 上,消力坎的布設(shè)也應(yīng)與之相匹配,可以減弱脈動(dòng)壓強(qiáng)對(duì)消力池動(dòng)水效應(yīng)影響。

        圖7 脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差參數(shù)與流量關(guān)系

        3 坎高參數(shù)對(duì)消力池水力特征影響

        3.1 靜壓強(qiáng)

        同理,計(jì)算獲得不同消力坎高參數(shù)下池內(nèi)靜壓強(qiáng)分布變化特征,如圖8所示。從靜壓強(qiáng)與坎高參數(shù)關(guān)系可知,消力坎愈高,靜壓強(qiáng)水平減小,在池底計(jì)算點(diǎn)處無(wú)消力坎時(shí)全斷面上平均靜壓強(qiáng)為1.94 kPa,而坎高為5、15、25 cm 下平均靜壓強(qiáng)較前者分別下降26.3%、50.5%、72.7%,坎高平均每增大5 cm,可導(dǎo)致靜壓強(qiáng)降低28.6%。從各特征點(diǎn)斷面上靜壓強(qiáng)變化可知,無(wú)消力坎或坎高過(guò)低時(shí),靜壓強(qiáng)具有顯著峰值點(diǎn),在坎高5 cm時(shí)靜壓強(qiáng)峰值點(diǎn)出現(xiàn)在F斷面上,達(dá)2.23 kPa,而坎高為25、30 cm 時(shí)無(wú)顯著峰值點(diǎn),各特征點(diǎn)上壓強(qiáng)分布基本處于穩(wěn)定或差幅不大的態(tài)勢(shì);筆者認(rèn)為,消力坎高度決定了上游泄流水力勢(shì)能對(duì)下游池內(nèi)底板沖擊作用,當(dāng)坎高較合理時(shí),過(guò)坎后水流引起的水舌紊流活動(dòng)較穩(wěn)定,對(duì)池內(nèi)水流擾動(dòng)較小。在邊墻連接點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)波幅較小,各坎高方案下平均靜壓強(qiáng)分布差距為15.5%~73.2%,靜壓強(qiáng)的平均降幅為30.1%,即高程增大后,坎高差異引起的降能效應(yīng)有所減弱。與之同時(shí),在邊墻連接點(diǎn)上壓強(qiáng)零值在斷面A~D 上分布,且在多個(gè)坎高方案中均是如此,相比池底計(jì)算點(diǎn)上壓強(qiáng)零值分布范圍更廣,表明在邊墻連接點(diǎn)上靜壓強(qiáng)受坎高影響較小,零壓強(qiáng)分布及量值水平差幅均弱于池底計(jì)算點(diǎn)。

        圖8 坎高影響下特征斷面上靜壓強(qiáng)變化

        3.2 脈動(dòng)壓強(qiáng)

        根據(jù)消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值計(jì)算,獲得脈動(dòng)壓強(qiáng)方差特征參數(shù)與消力坎高關(guān)系,如圖9所示。從圖9可知,坎高愈大,則消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值愈低,在無(wú)消力坎方案下脈動(dòng)壓強(qiáng)方差最大值為1.5 kPa2,而坎高5、25、30 cm 方案中最大方差較前者分別下降9.3%、42.7%、61.7%;而從平均方差來(lái)看,坎高每增大5 cm,斷面特征點(diǎn)上脈動(dòng)壓強(qiáng)平均方差可下降27.1%,消力坎增大水流渦旋動(dòng)力,但可限制動(dòng)壓強(qiáng)的振幅特性。從脈動(dòng)壓強(qiáng)方差峰值出現(xiàn)特征點(diǎn)斷面來(lái)看,坎高愈大,脈動(dòng)壓強(qiáng)方差峰值愈靠近出現(xiàn)在消力池中、下游,該斷面上對(duì)水力勢(shì)能限制作用較強(qiáng),可在池內(nèi)中下游形成穩(wěn)定水舌效應(yīng),從而減弱水工建筑沖蝕作用[17]。從各坎高方案下脈動(dòng)壓強(qiáng)方差在池內(nèi)斷面變化趨勢(shì)來(lái)看,坎前方差高于坎后,在坎高15 cm 方案下,坎前A~D 特征點(diǎn)斷面上平均方差為0.85 kPa2,而坎后較之前者下降20%。綜合分析認(rèn)為,消力坎高增大,有利于對(duì)池內(nèi)水力勢(shì)能控制,降低渦旋水流對(duì)水工結(jié)構(gòu)的動(dòng)水作用。

        圖9 脈動(dòng)壓強(qiáng)方差參數(shù)與消力坎高關(guān)系

        4 結(jié)論

        (1)靜壓強(qiáng)以低流量下為最大,流量每增長(zhǎng)10 m3/s,則斷面平均靜壓強(qiáng)可下降20%;消力池中、下游壓強(qiáng)水平最高;邊墻連接點(diǎn)處?kù)o壓強(qiáng)波動(dòng)性較弱;整體壓強(qiáng)水平低于池底計(jì)算點(diǎn),各流量工況下兩者間靜壓強(qiáng)差幅為47.6%~58.1%,池內(nèi)高程愈大,則靜壓強(qiáng)愈低。

        (2)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差參數(shù)與流量值具有正相關(guān)關(guān)系,流量每增大10 m3/s,平均方差參數(shù)可上升34.5%;池內(nèi)最易受脈動(dòng)壓強(qiáng)作用位于中部斷面F~G上。

        (3)消力坎愈高,則靜壓強(qiáng)水平減小,坎高每增大5 cm,可導(dǎo)致靜壓強(qiáng)降低28.6%;坎高增大,斷面靜壓強(qiáng)分布穩(wěn)定性較高;高程增大,坎高差異引起的降能效應(yīng)減弱。

        (4)坎高愈大,則池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值愈低,坎高每增大5 cm,斷面脈動(dòng)壓強(qiáng)平均方差可下降27.1%;消力池中、下游斷面上對(duì)水力勢(shì)能限制作用較強(qiáng),且坎前斷面脈動(dòng)壓強(qiáng)方差高于坎后。

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