趙興龍,韓 雷,王正君,呂春瑋,葉昆河,田振華

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 150080)

0 引 言

水庫(kù)溢洪道的泄洪消能一直是水工建筑物的研究重點(diǎn),相較于傳統(tǒng)物理模型試驗(yàn)的研究方法,通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)溢洪道進(jìn)行水力特性的研究得到了更普遍的應(yīng)用［1］。何志亞等［2］〗針對(duì)沙河水庫(kù)溢洪道挑流鼻坎采用FLUENT軟件對(duì)擬定的挑流鼻坎進(jìn)行數(shù)值模擬,并進(jìn)行了推薦體型的物理模型試驗(yàn),得出了能滿(mǎn)足挑流水舌落點(diǎn)遠(yuǎn)離下游崩塌體的挑流鼻坎體型。郭紅民等［3］通過(guò)建立溢流堰挑流消能的三維數(shù)值模型,并對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)多種優(yōu)化消能方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得出了在原體型的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大挑流反弧半徑可以改善泄流消能作用。馬強(qiáng)［4］通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,建立了兩種不同的尾坎并進(jìn)行數(shù)值模擬,得出了下游河道差動(dòng)式最大流速比連續(xù)式最大流速小的結(jié)論。張桂花等［5］提出了一種舌瓣鼻坎挑流新體型,并對(duì)其進(jìn)行了物理模型試驗(yàn),研究表明該體型增加了水舌挑距,避免了水舌集中沖刷河床。

本文采用數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式,利用物理模型試驗(yàn)得到的結(jié)果對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證滿(mǎn)足誤差范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)該水庫(kù)溢洪道進(jìn)行挑流鼻坎優(yōu)化研究,為挑流鼻坎的體型設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

某水庫(kù)由攔河壩(包括大壩和二壩)、溢洪道和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。本工程為一等工程,攔河壩及溢洪道為一級(jí)建筑物,500年一遇洪水設(shè)計(jì),可能最大洪水校核;引水建筑物及電站廠房為二級(jí)建筑物,50年一遇洪水設(shè)計(jì),500年一遇洪水校核。溢洪道位于右岸低分水嶺處,為開(kāi)敞式岸坡溢洪道,由引水渠、溢流堰體、瀉槽、挑流鼻坎及出水渠等5部分組成,總長(zhǎng)959.50m。設(shè)7個(gè)溢流孔,堰頂高程205.60m,每孔凈寬16m。設(shè)16×13.4m弧形工作門(mén),采用固定卷?yè)P(yáng)式弧門(mén)啟閉機(jī)操作,弧門(mén)前設(shè)一道平板檢修閘門(mén),7孔設(shè)1套。設(shè)計(jì)洪水位220.58m時(shí)下泄流量為12 210 m3/s,校核洪水位225.41m時(shí)下泄流量為18 570 m3/s。矩形斷面泄槽由130m寬漸變至90m。

2 物理模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)原連續(xù)式挑流鼻坎的模型試驗(yàn)。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),為正態(tài)模型,由上游庫(kù)區(qū)、溢流堰(引水渠、溢流堰體、泄槽、挑流鼻坎及出水渠)、下游河道組成。

2.1 比尺設(shè)計(jì)

模型整體布置按照1∶100的幾何比尺在試驗(yàn)場(chǎng)按原地形制作,主要比尺關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 模型主要比尺

2.2 模型制作

非溢流壩段采用磚混結(jié)構(gòu),溢流壩模型采用有機(jī)玻璃制作,庫(kù)區(qū)及下游河道地形采用定床凹形模板制作。原型溢流壩采用常態(tài)混凝土,其糙率n=0.014～0.017。根據(jù)糙率比尺,計(jì)算模型材料的糙率比尺為0.0065～0.0079,有機(jī)玻璃的糙率n=0.008,基本可以滿(mǎn)足糙率相似要求,選擇有機(jī)玻璃制作溢流壩模型。加工精度控制在±0.2mm以?xún)?nèi),安裝的垂向精度控制在±0.3mm以?xún)?nèi),平面精度控制在±0.5mm以?xún)?nèi)。模型整體布置見(jiàn)圖1。

圖1 溢洪道物理模型試驗(yàn)流程示意圖

3 數(shù)值模擬計(jì)算及驗(yàn)證

采用有限體積法進(jìn)行離散,采用VOF自由追蹤液面、RNGk-ε湍流模型和PISO算法對(duì)原連續(xù)式挑流鼻坎進(jìn)行數(shù)值模擬,并與物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 控制方程

數(shù)學(xué)模型采用RNGk-ε湍流模型,可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng),具有更高的精度和可信度［6］。其控制方程為:

連續(xù)方程:

(1)

動(dòng)量方程(Navier-Stokes方程):

(2)

k-ε紊流方程:

(3)

(4)

3.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)學(xué)模型設(shè)順溢洪道方向?yàn)閄方向,沿溢洪道從右岸到左岸方向?yàn)閅方向,垂直方向?yàn)閆方向。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,引水渠、溢流堰體、泄槽及出水渠網(wǎng)格間距為2m,挑流鼻坎段網(wǎng)格間距為0.5m,模型共有網(wǎng)格總數(shù)為2 262 005個(gè)。

3.3 邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬計(jì)算中,引水渠入流斷面設(shè)置為進(jìn)口邊界,采用壓力進(jìn)口,通過(guò)給定水位和流速的方法來(lái)保持恒定的流量;出水渠出口斷面設(shè)置為出口邊界,同樣采用壓力進(jìn)口,通過(guò)給定水位來(lái)保持下游河道的水位恒定。各工況設(shè)置邊界條件見(jiàn)表2。

表2 各工況設(shè)置邊界條件

3.4 模型驗(yàn)證

本文針對(duì)原連續(xù)式挑流鼻坎體型(鼻坎挑角30°,挑流鼻坎反弧半徑30m,挑流鼻坎尾部高程179.6m),在泄洪流量為18 570、12 210、7 186m3/s,相應(yīng)上游水位分別為225.41m(工況1)、220.58m(工況2)、218.00m(工況3)3種運(yùn)行工況條件下,進(jìn)行數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)結(jié)果比較。

3.4.1 流量對(duì)比分析

表3為3種工況下數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)的流量。由表3可以看出,數(shù)值模擬計(jì)算值的進(jìn)口流量和模型試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值所采用的進(jìn)口流量數(shù)據(jù)基本一致,兩者的相對(duì)誤差在允許范圍內(nèi)。

表3 數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)流量對(duì)比表

3.4.2 水面線對(duì)比分析

圖2為3種工況下數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)的水面線對(duì)比圖。由圖2可以看出,數(shù)值模擬計(jì)算值和模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值有略微差異,主要表現(xiàn)為模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值略高于數(shù)值模擬計(jì)算值,但是兩者基本相同,誤差在允許范圍之內(nèi)。同時(shí)可以看出,隨著流量的增大,兩者水面線的擬合程度越來(lái)越好,這可能與大流量狀態(tài)下流體流動(dòng)相對(duì)更穩(wěn)定有關(guān)。

圖2 各工況下水面線實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比分析

3.4.3 流速對(duì)比分析

由圖3可以看出,工況1計(jì)算值和實(shí)測(cè)值誤差最大值發(fā)生在樁號(hào)0+280m處,誤差值3.72%;工況2計(jì)算值和實(shí)測(cè)值誤差最大值發(fā)生在樁號(hào)0+540m處,誤差值3.41%;工況3計(jì)算值和實(shí)測(cè)值誤差最大值發(fā)生在樁號(hào)0+120m處,誤差值3.74%。泄漕段與挑流鼻坎段的流速吻合良好,整體誤差滿(mǎn)足精度需求。

圖3 典型斷面數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)流速對(duì)比圖

3.4.4 挑射水舌形態(tài)對(duì)比分析

圖4對(duì)比了數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)挑射水流的水舌形態(tài)。數(shù)值模擬計(jì)算流態(tài)良好,與物理模型試驗(yàn)流態(tài)吻合度極高。

圖4 溢洪道挑流鼻坎段數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)水流流態(tài)對(duì)比

3.4.5 挑射水舌挑距對(duì)比分析

表4為3種工況下挑流鼻坎挑射水舌挑距的數(shù)值模擬計(jì)算值和物理模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值結(jié)果比較。由表4可以看出,兩者的結(jié)果基本吻合,但某些地方存在著一定的誤差,。誤差值最大的是工況2的內(nèi)緣挑距為6.5%,這可能是物理模型試驗(yàn)由于水流的脈動(dòng)現(xiàn)象導(dǎo)致水舌的落水點(diǎn)具有隨機(jī)性,同時(shí)模型試驗(yàn)自身縮尺效應(yīng)也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

表4 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)挑射水舌挑距對(duì)比表

4 消能工體型優(yōu)化

該水庫(kù)溢洪道原連續(xù)式挑流鼻坎體型存在水流落點(diǎn)過(guò)于集中的問(wèn)題,為了更好地分散水流,減輕對(duì)下游河道的集中沖刷,對(duì)消能工體型各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。參考類(lèi)似工程以往的經(jīng)驗(yàn),采用雙圓弧差動(dòng)式挑流鼻坎,以增加挑流水舌在空氣中的摻氣程度,解決挑射水流落點(diǎn)過(guò)于集中的問(wèn)題。

4.1 雙圓弧差動(dòng)式挑流鼻坎設(shè)計(jì)

根據(jù)該水庫(kù)溢洪道的特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行體型優(yōu)化。在優(yōu)化體型設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮以下要求:在原連續(xù)式挑流鼻坎體型的基礎(chǔ)上,僅做少量改變,以求便于施工,同時(shí)可以達(dá)到較好的消能效果。經(jīng)研究,最終采用雙圓弧差動(dòng)式挑流鼻坎,高坎和低坎高度差為4m,以泄洪流量12 210m3/s(P=0.2%)為主要研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬,比較優(yōu)化體型與原體型的挑流消能效果。雙圓弧挑流鼻坎三維效果見(jiàn)圖5。

圖5 雙圓弧挑流鼻坎三維效果示意圖

4.2 水舌形態(tài)分析

圖6為溢洪道工況2數(shù)值模擬原體型與優(yōu)化體型挑射水舌形態(tài)對(duì)比圖。由圖6可以看出,優(yōu)化體型相較于原體型水舌前后的水流落點(diǎn)更分散,入射角更小,挑流水舌形態(tài)更好。同時(shí)可以看出,優(yōu)化體型的挑射水流與下游河道中的水流碰撞更充分,更有利于消能。

圖6 溢洪道工況2數(shù)值模擬原體型與優(yōu)化體型挑射水舌形態(tài)對(duì)比

4.3 水舌挑距分析

表5為原體型與優(yōu)化體型在12 210m3/s的泄洪流量下的內(nèi)緣挑距和外緣挑距。由表5可以看出,優(yōu)化體型的內(nèi)緣挑距和外緣挑距都小于原體型,但優(yōu)化體型挑射水流入下游河道處的長(zhǎng)度要大于原體型,有利于分散水流,提高了挑射水流在空中的耗能率,減小了對(duì)下游河道的沖刷,且優(yōu)化體型的水舌落水點(diǎn)對(duì)壩基不產(chǎn)生危害。

表5 原體型與優(yōu)化體型水舌挑距對(duì)比表

4.4 消能率分析

水庫(kù)溢洪道挑流消能率計(jì)算方式各有不同。本文的溢洪道挑流消能率可表示為［4,7］：

η=(E1-E2)/E1×100%

(5)

其中:E1=Z+V21/(2g);E2=V22/(2g)

式中:E1、E2分別為該水庫(kù)溢洪道上下游斷面的水流總能量;V1、V2分別為上下游斷面平均流速,以下游斷面平均水深為基準(zhǔn)高程;Z為上游庫(kù)區(qū)斷面與下游斷面的高程差。

采用流量為12 210m3/s時(shí)的消能率進(jìn)行對(duì)比,原連續(xù)式挑流鼻坎的消能率為73.5%;雙圓弧差動(dòng)式挑流鼻坎的消能率為79.7%?？梢钥闯?優(yōu)化體型的消能率大于原體型的消能率,雙圓弧差動(dòng)式挑流鼻坎的消能效果優(yōu)化明顯,可提高該水庫(kù)溢洪道的消能效果,從而減小挑射水流對(duì)下游河道的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)FLUENT計(jì)算流體軟件,對(duì)某水庫(kù)溢洪道挑流鼻坎進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析,得到的結(jié)果與物理模型試驗(yàn)基本一致。數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果提供了比物理模型試驗(yàn)更為全面的數(shù)據(jù),為物理模型試驗(yàn)做了很好的補(bǔ)充。

2)本文對(duì)某水庫(kù)溢洪道挑流鼻坎進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)比分析了雙圓弧差動(dòng)式挑流鼻坎與原連續(xù)式挑流鼻坎在水舌形態(tài)、水舌挑距、消能率方面的計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明,采用雙圓弧差動(dòng)式挑流鼻坎可以分散水舌,避免水流落點(diǎn)過(guò)于集中,消能率提高了6.2%,有效降低了對(duì)下游河床的沖刷。