李曉桐

（遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

在大型水利工程建設(shè)過程中，采取科學(xué)合理的消能方式具有重要意義，可以有效保證工程的運(yùn)行安全。目前，水利工程中常用的基本消能工有挑流消能和底流消能兩大模式[1]。其中，底流消能是利用下瀉水流的水躍進(jìn)行消能的傳統(tǒng)消能方式，該方式下大部分水流能量通過旋滾、紊動(dòng)消殺，因此，具有消能率高、流態(tài)穩(wěn)定、水流霧化影響范圍小的優(yōu)勢(shì)[2]。但是，該消能方式的缺點(diǎn)也十分明顯，主要是工程量大、造價(jià)高，容易造成消力池底板沖刷破壞等。針對(duì)這些問題，科研工作者和工程師們探索出了消力墩、跌坎、尾坎等與底流消能聯(lián)合使用的輔助消能工[3]。在聯(lián)合消能工設(shè)計(jì)優(yōu)化研究中，學(xué)者提出了一種新型嵌槽式消力池，其基本思路是為傳統(tǒng)平底消力池的最低點(diǎn)設(shè)置低于消力池底板高程的多圓弧截面嵌槽，因而改變池底水流方向，以克服傳統(tǒng)消力池的不足[4]。從具體的工程實(shí)踐來(lái)看，該消力池具有相對(duì)較優(yōu)的消能效果，但是也存在嵌槽尾部水流流態(tài)不佳的問題，基于此，提出了在嵌槽后部設(shè)置底坎的聯(lián)合消能工，并探討其消能效果。在研究過程中，物理模型試驗(yàn)的結(jié)果固然真實(shí)可信，但是難以借助當(dāng)前的技術(shù)對(duì)水體內(nèi)部的相關(guān)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確采集，而數(shù)值模擬計(jì)算具有研究周期短、計(jì)算速度快、成本低廉等眾多優(yōu)勢(shì)。因此，本文利用數(shù)值模擬的方法展開相關(guān)研究。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 工程背景

遼寧省東部某在建重點(diǎn)水利工程的大壩壩頂高程為304.5 m，最大壩高65.5 m，壩軸線長(zhǎng)198.0 m。表孔泄洪洞布置在大壩右岸，其進(jìn)口為WES 堰型設(shè)計(jì)，堰頂高程為291.0 m，設(shè)計(jì)洪水位為300.0 m，設(shè)計(jì)泄流量為330.0 m3/s；校核洪水位為303.4 m，校核泄流量為553.0 m3/s。表孔泄洪洞主要由引渠段、控制段、洞身段、挑流鼻坎及下游消力池和護(hù)坦等部分組成，長(zhǎng)度為335.8 m。

1.2 有限元模型的構(gòu)建

利用FLOW-3D 軟件進(jìn)行背景工程有限元計(jì)算模型的構(gòu)建。由于背景工程有5 孔泄洪表孔，如果對(duì)其進(jìn)行全部模擬，則網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算量太大。為了減少計(jì)算工作量，提升計(jì)算效率，研究中針對(duì)單泄表孔進(jìn)行模擬[5]。在幾何模型構(gòu)建過程中，將豎直向上的方向設(shè)為Z軸正方向，將中心線指向下游的方向設(shè)為X軸正方向，將垂直于X軸指向右岸的方向設(shè)為Y軸的正方向。整個(gè)模型涵蓋寬度為12.5 m的溢流表孔，長(zhǎng)度范圍為130.0 m。

考慮到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在計(jì)算收斂速度及模擬精度方面的優(yōu)勢(shì)，采用棱長(zhǎng)0.6 m 的正交結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算模型的網(wǎng)格剖分，對(duì)嵌槽和底坎部位利用棱長(zhǎng)為0.3 m 的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。整個(gè)模型劃分為12 560 個(gè)網(wǎng)格單元，13 224 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

在大渦模擬湍流模型中，網(wǎng)格數(shù)量是計(jì)算結(jié)果的重要影響因素，過多的網(wǎng)格數(shù)量會(huì)影響計(jì)算效率，而網(wǎng)格數(shù)量過少不利于提高結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。因此，在研究過程中進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證極為必要[7]。以水庫(kù)的正常蓄水位為模型的來(lái)流條件，分別利用尺寸為0.4 ，0.6 ，0.8 和1.0 m 的網(wǎng)格進(jìn)行出口流量模擬計(jì)算，其模擬計(jì)算誤差率如圖1 所示。由圖1 可以看出，網(wǎng)格尺寸為0.4 和0.6 m 時(shí)的誤差率十分接近，再增加網(wǎng)格尺寸其誤差率會(huì)迅速增加。由此可見，選擇0.6 m 的網(wǎng)格尺寸是合適的，可以獲得較為精確的研究結(jié)果。

圖1 不同網(wǎng)格尺寸誤差率變化曲線

1.4 邊界條件

計(jì)算區(qū)域的上游庫(kù)區(qū)給定水位并采用流量邊界條件；下游給定水位并采用壓力出口邊界條件；模型的壁面采用無(wú)滑移邊界條件；模型的底部和兩側(cè)均采用壁面邊界條件；模型的頂部為壓力邊界條件；流體的體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為0[8]。為了縮短模型計(jì)算的時(shí)間，模型計(jì)算的初始時(shí)刻在其上下游分別設(shè)置一塊水體。模型求解采用壓力隱式求解法，計(jì)算過程中，間隔2 s 輸出1 次計(jì)算結(jié)果，初始時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 ms。

1.5 計(jì)算方案

為了研究底坎對(duì)嵌槽消力池消能效果的影響，選擇底坎的形狀、位置和尺寸作為研究變量。結(jié)合背景工程實(shí)際和相關(guān)研究成果，設(shè)置矩形、等邊三角形和等腰梯形3 種不同的截面形狀；底坎的位置由底坎上緣與泄槽末端的距離確定，分別設(shè)置0，3.0，6.0 m 等3種不同的位置方案；底坎的尺寸由底坎底寬確定，分別設(shè)置1.0，1.5，2.0 和2.5 m 等4種不同的計(jì)算方案。為了減少計(jì)算工作量，模擬計(jì)算過程中確定其余變量值不變，展開特定參數(shù)的影響研究。此外，研究中以沒有底坎設(shè)置方案作為對(duì)比方案。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 底坎形狀

保持底坎位置為3.0 m、底坎尺寸為1.5 m 不變，利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同底坎形狀方案的消力池消能特征進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得不同方案的典型斷面流速和消能率，結(jié)果分別如表1 和圖2 所示。從表1 可以看出，各方案沿程流速呈現(xiàn)出先減小后小幅增大的變化特征，且設(shè)置底坎方案的沿程流速值均顯著小于對(duì)比方案。由此可見，設(shè)置底坎有助于降低消力池內(nèi)水流的沿程流速，其中，梯形斷面方案除個(gè)別斷面流速值稍大于矩形斷面之外，其余斷面的流速值均相對(duì)較小。從圖2 可以看出，設(shè)置底坎方案消力池的消能率均明顯大于對(duì)比方案，其中，消能率最大的為梯形斷面方案。結(jié)合流速計(jì)算結(jié)果，梯形斷面為底坎形狀的最佳設(shè)計(jì)方案。

圖2 不同體型方案消能率計(jì)算結(jié)果

2.2 底坎位置

保持底坎形狀為梯形、底坎尺寸為1.5 m 不變，利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同底坎位置方案的消力池消能特征進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得不同方案的典型斷面流速和消能率，結(jié)果分別如表2 和圖3 所示。從表2 可以看出，不同底坎位置設(shè)置方案的典型斷面流速存在比較顯著的差異，但是均小于對(duì)比方案，因此，在嵌槽下游一定位置設(shè)置底坎可以有效控制消力池內(nèi)典型斷面的流速，具有一定的工程意義和價(jià)值。從表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)看，底坎位置為3.0 m 方案的流速值總體較小，且流速變化比較穩(wěn)定，除了0＋014.99 斷面流速大于6.0 m 方案之外，其余各斷面的流速值均為最小。從圖3 可以看出，不同底坎位置方案消力池的消能率均明顯大于對(duì)比方案，其中消能率最大的為3.0 m 方案。結(jié)合流速計(jì)算結(jié)果，3.0 m 方案為底坎位置的最佳設(shè)計(jì)方案。

表2 不同位置方案斷面流速計(jì)算結(jié)果 m/s

圖3 不同位置方案消能率計(jì)算結(jié)果

2.3 底坎尺寸

保持底坎形狀為梯形、底坎位置為3.0 m 不變，利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同底坎尺寸方案的消力池消能特征進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得不同方案的典型斷面流速和消能率，結(jié)果分別如表3 和圖4 所示。從表3 可以看出，典型斷面流速隨著底坎尺寸的增大基本呈現(xiàn)先減小后小幅增大的變化特點(diǎn)，當(dāng)?shù)卓渤叽鐬?.0 m 時(shí)，各斷面的流速值相對(duì)較小。從圖4 可以看出，消力池的消能率隨著底坎尺寸的增大呈現(xiàn)先增大后小幅減小的變化特點(diǎn)，當(dāng)?shù)卓渤叽鐬?.0 m 時(shí)的消能率最大。

表3 不同尺寸方案斷面流速計(jì)算結(jié)果 m/s

圖4 不同尺寸方案消能率試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

此次研究以具體工程為背景，利用數(shù)值模擬的方法探討了底坎對(duì)嵌槽消力池消能效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在嵌槽下游設(shè)置底坎有助于降低消力池內(nèi)流速，提高消力池的消能率。經(jīng)過底坎的體型、位置和尺寸優(yōu)化之后，獲得最佳方案：底坎截面為梯形、底寬為2.0 m，設(shè)置于嵌槽下游3.0 m 位置。該方案下消力池的消能率為68.51%，與不設(shè)置底坎的對(duì)比方案62.22%的消能率相比有明顯提升，因此具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，聯(lián)合消能工的手段較多，在今后的研究中還可以探索齒墩、柱柵等結(jié)構(gòu)對(duì)嵌槽消力池消能效果的影響，以便獲得具有更好消能效果的消力池消能工設(shè)計(jì)方案。