張峰水庫溢洪道水力特性三維數值模擬

李建波,李 禮

(山西省水利水電勘測設計研究院,太原 030024)

張峰水庫溢洪道水力特性三維數值模擬

李建波,李 禮

(山西省水利水電勘測設計研究院,太原 030024)

以張峰水庫為例建立了溢洪道三維結構模型,采用結構網格及混合網格技術對模型進行了離散,并利用標準k-ε湍流模型、SIMPLE算法及VOF法對溢洪道流場進行了三維數值模擬。結果表明,溢洪道過流能力、水面線及流速分布與實測值吻合良好;溢洪道底板壓強分布合理,水流空化數滿足設計要求,溢洪道體型設計合理可靠。以物理試驗驗證數值模擬,使得計算結果真實、可信,進而詳細地分析了溢洪道的壓強特性及水流空化數,對同類工程的優化設計有一定的參考作用。

溢洪道;水力特性;數值模擬;VOF模型;水流空化數

溢洪道是水庫樞紐的重要組成部分,它發揮著宣泄洪水,保護工程的重要作用,直接影響到大壩的安全運行[1]。目前國內學者為了使溢洪道建筑物的設計合理、安全、可靠,通常以物理模型試驗和數值模擬技術對其進行分析研究。筆者在物理模型試驗的基礎上,對張峰水庫溢洪道的泄流能力、水面線及流速分布進行三維數值模擬并驗證,進而分析溢洪道底板的壓強分布及水流空化數特性,確定了溢洪道設計參數,對同類工程的優化設計具有一定的參考作用。

1 工程概況

張峰水庫位于山西省沁水縣張峰村的沁河上,水庫總庫容為3.94×108m3,是一座防洪、供水、發電等綜合利用的大型水庫工程[2]。其樞紐包括大壩、溢洪道、渠首輸水泵站、渠首電站等水工建筑物。其中,溢洪道由引渠段、閘室段、泄槽段、挑流段及尾水渠五部分組成。引渠段為喇叭口直墻段,向上游呈擴散布置;閘室段為無底坎寬頂堰,設4孔閘門,每孔凈寬12 m,閘底高程為747.20 m。泄槽凈寬55.5 m,長度為129.126 m,樁號0+034.00—樁號0+049.392采用WES曲線y=0.013x2;挑流鼻坎坎長18.0 m,反弧半徑20 m,挑角28°。

2 數值模擬

2.1 控制方程

在水庫上、下游水位已知的情況下,溢洪道恒定流動屬于不可壓縮的水流流動問題,筆者采用N-S方程描述離散方程,并利用標準k-ε雙方程湍流模型求解。本次數值計算不考慮熱能交換,則方程組不包含能量方程。連續方程、k方程、ε方程、動量方程和多相體積分數aa方程[3]分別如下。

連續方程:

k方程:

ε方程:

動量方程:

式中:t為時間;指標i=1,2,3;j為求和下標;ui和xi分別為速度分量和坐標分量,{ui=u,v,w},{xi=x,y,z};μ和ρ分別為分子粘性系數和密度;μt為紊流粘性系數;p為修正的壓力。

為了精確地求解自由水面線,在標準k-ε湍流模型中引入求解自由水面線的流體體積分數方法(VOF法)。假設用φw表示水的體積分數,則空氣的體積分數φa可表示為:

φa=1-φw.

在每個離散單元內,水的體積分數存在3種情況,即φw=0,1或介于0與1之間,分別對應空氣、水和水氣混合界面3種情況。水氣混合界面則通過下面的連續方程來求解:

根據求解水的體積分數φw值即可確定自由水面線的位置。

2.2 計算區域與網格劃分

依據溢洪道結構設計圖及模型試驗布置,按照原型尺寸建立了三維計算模型,包括庫區、引渠、閘室、泄洪槽、挑流坎和退水渠六個部分。計算區域長477.5 m,寬116.4 m,高84.9 m,體型較大,結構復雜。為了減小計算時間,并滿足計算精度的要求,將模型按照結構組成劃分區域。庫區、泄洪槽、退水渠為規則區域,采用六面體網格;閘室、挑流坎為不規則區域,采用混合網格,并對挑流坎進行了網格局部加密,如圖1所示。網格單元大小在0.3 m～1.4 m之間,網格數量約為1.74×106個。

圖1 計算區域網格劃分圖

2.3 數值解法

離散體的控制方程組可寫成以下通用形式:

式中：Sφ為控制方程的源項;φ為通用變量,如湍動能、耗散率、速度等;τφ為通用變量φ的擴散系數。計算采用修正的Simple算法解決速度與壓力耦合問題,并且采用高階迎風離散格式處理數值擴散問題。以水流進、出口質量差值作為判斷計算是否完成的依據,當計算精度小于3‰時,認為本次計算已經收斂。

2.4 邊界條件

1) 進口邊界。溢洪道計算模型的進口邊界條件可分為空氣進口和水流進口,空氣進口選用壓力邊界條件,壓力值為一個大氣壓。在水庫進口水位已知的情況下,水流進口則選用自定義的壓力邊界條件。

2) 出口邊界。出口邊界條件同樣分為空氣出口和水流出口,空氣出口為一個大氣壓,水流出口設定為下游水位。

3) 固壁邊界。溢洪壩底板及側壁均為固壁邊界,選用無滑移邊界條件,近壁區域采用壁面函數傳遞流場信息。

3 結果分析

依據上述計算方法及邊界條件,選擇校核工況(p=0.05%,洪水位762.63 m)對計算模型進行數值模擬,得到整個流場信息,依次分析溢洪道的泄流能力、水面線、典型斷面流速分布、底板壓強分布及水流空化數特性等水力參數。由圖2溢洪道水流流態三維效果圖可以看出,水流和大氣分界比較明顯,水流流線光滑、平順,分布均勻、對稱;流線經過挑坎,均勻地挑向下游;在引渠、閘室及挑流坎等部位,未出現漩流等不良流態。表明本文采用的計算方法是可行的。

圖2 溢洪道水流流態三維效果圖

3.1 泄流能力

首先,計算了校核水位下溢洪道泄洪流量與模型實測值比較,對比情況如表1所示。由表1可見,在校核工況下,實測的泄洪流量為4 494.00 m3/s,計算得到的泄洪流量為4 582.19 m3/s,計算值比實測值大1.96%,與文獻[4]結論一致。導致誤差的原因首先可能是物理模型制作中WES曲線存在縮尺效應而造成的;其次為減少數值模擬的計算量,設置進口斷面至溢流堰距離較近,溢流堰的堰上水頭增大,使得計算流量偏大;再次，模型試驗受到場地限制,出現水汽蒸發、水流飛濺等現象,導致實測泄洪流量偏小;模型試驗采用量水堰只測得泄水流量,而數值計算的泄量包括空氣流量,也是導致誤差原因之一。但總體來說,兩者吻合良好,計算結果可信。

表1 溢洪道泄流能力比較

3.2 水面線

模型試驗測量了溢洪道底板中心線上水面線沿程分布[5],數值模擬也提取了水氣交界面內摻氣濃度50%的水面線與實測值對比,如圖3所示。圖中，引渠段及閘室段內三個典型斷面(樁號0-035.00，樁號0+000.00，樁號0+034.00)的計算水深分別為15.01，12.98，6.67 m,泄槽直線段及挑流段內的計算水深為3 m左右。表明在引渠段及閘室段內水位沿程逐漸降低,進入泄槽段后水位趨于平穩,樁號0-035.00斷面實測水深為14.98 m,計算水深為15.01 m,計算值大于實測值0.18%。樁號0+124.19斷面實測水深為3.16 m,計算水深為3.09 m,計算值小于實測值2.07%。兩者差別的原因首先可能是數值計算網格單元尺寸略大,水氣交界面存在一定厚度,水面線的提取形成偏差；其次，模型試驗水流流速較大,水面波動比較明顯,干擾了水面線的測量,使得實測值不夠精確。為了證明水位計算值與實測值的吻合度,比較了溢洪道底板中心線上水位的計算值與試驗值(如圖4所示)。由圖可知,橫坐標為水位試驗值,縱坐標為水位計算值,散點基本分布在線性回歸方程y=0.997x+2.360上,其相關系數R為1.0,大于0.8。表明計算值與實測值基本一致,兩者吻合良好。

分析閘室段內橫向水位可知,水流在閘室進口斷面(樁號0+000.00)受到閘墩阻水影響,導致橫向水位波動較大,最大水位相差1.47 m;兩側閘孔內水位略高于中間兩閘孔水位,并在每個閘孔內水位呈邊側高、中線低分布;水流流進閘室內,水位逐漸趨于平穩,水位差亦逐漸變小(樁號0+025.00斷面,水位相差0.43 m)。但兩側閘孔內水位同樣略高于中間兩閘孔水位,其原因可能是引渠斷面收縮及閘墩阻水、分流作用的影響;水流流出閘室出口斷面(樁號0+034.00),立刻形成小規格的菱狀水波,橫向水位差值增大，并且在每個閘孔內水位呈邊側低、中線高分布。上述閘室段橫向水位分析與模型試驗測量結果是一致的。

圖3 溢洪道底板中心線水面線分布

圖4 溢洪道底板中心線水位計算值與試驗值比較

3.3 斷面流速分布

模型試驗在溢洪道控制段面布置了流速測量斷面,數值模型也提取了相應斷面的流速值并與實測數據進行對比。由圖5溢洪道內其中兩個典型斷面垂線流速分布情況可以看出，沿水深方向,樁號0+034.00斷面模型實測的水流自近底流速12.71 m/s增大至表層流速13.61 m/s,數值計算得到的流速約為13.12 m/s。同理,樁號0+166.00斷面實測流速約為28.87 m/s,計算水流流速為27.05 m/s～28.72 m/s。由此表明,溢洪道內沿水深方向水流流速分布比較均勻；樁號0+034.00斷面,實測斷面平均流速為13.19 m/s,數值計算得到斷面平均流速為13.12 m/s,兩者相差0.56%。同理,樁號0+166.00斷面實測斷面平均流速為28.87 m/s,計算斷面平均流速為27.96 m/s,兩者相差3.15%。表明,溢洪道內順水流方向斷面平均流速沿程逐漸增大。鑒于上述分析,數值計算的流速分布趨勢不僅與模型試驗的流速分布趨勢一致,且數值大小也與實測值吻合良好。

綜上所述,溢洪道過流能力、水面線及流速分布與模型試驗結果吻合良好,說明計算結果是可信的。

圖5 典型斷面中垂線流速分布

3.4 底板壓強分布

圖6給出了溢洪道底板中心線上壓強分布所示,橫坐標為樁號,縱坐標為壓力水頭。由圖可見,溢洪道底板壓力水頭均在2.14 m以上,未出現負壓;泄槽段壓強分布基本上光滑平順，表明溢洪道底板壓強分布合理,溢洪道體型設計合理可靠;泄槽直線段內的壓強分布線逐漸平行于底板,壓力水頭在2.57～3.83 m范圍內變化,表明泄槽內水流較為平穩;渥奇面樁號0+045.67斷面,出現了壓強最小值,壓力水頭約2.14 m;反弧段樁號0+159.69斷面,出現了壓強最大值,壓力水頭約15.69 m。渥奇面和反弧段底板內出現壓強極值,其原因可能是水流受到離心力作用,產生的動水壓強導致靜水壓強發生較大變化。

圖6 溢洪道底板中心線壓強分布

3.5 水流空化數分布

空化、空蝕是泄水建筑物中最常見的水力學問題,具有破壞深度大、面積廣、維修費用高及用時長等危害,嚴重影響泄水建筑物的安全運行[6]。學者通常采用水流空化數來判別空化狀態和破壞強度,計算公式[7]如下，

(1)

(2)

式中:σ為水流空化數;h0為參考斷面壓力水頭,m;ha為建筑物所在地區的大氣壓力水柱,取9.44 m;hv為水的汽化壓力水柱,取0.24 m;u0為參考斷面平均流速,m/s;Δ為當地海拔高度,取800 m。

圖7 溢洪道水流空化數沿程分布

筆者前面分析了溢洪道內典型斷面平均流速及底板靜水壓力分布,在此基礎上應用式(1)、(2),計算得到溢洪道內水流空化數沿程分布情況,如圖7所示。由圖可以看出，在泄槽段內,水流空化數從起始斷面(樁號0+034.00)的最大值1.91逐漸減小至最小值0.31(樁號0+145.43斷面)。而水流進入到挑流段后,空化數從0.31逐漸增大至0.62(樁號0+156.70斷面)后又減小至0.38(樁號0+165.12斷面)。因此,水流空化數在泄槽段內沿程逐漸減小,挑流段內呈先增大后減小分布；在樁號0+145.43斷面,位于挑流坎始端附近,出現了水流空化數最小值0.31,其結論與文獻[8]一致；水流空化數均在0.3以上,溢洪道能夠滿足設計要求,施工中應嚴格控制過流面不平整度,防止氣蝕發生。

4 結論

1) 通過數值模擬分析溢洪道泄槽段內水流平穩,壓強分布光滑平順;渥奇面和反弧段內分別出現了壓強極小值和壓強極大值,底板壓強未出現負壓;泄槽段內水流空化數沿程逐漸減小,挑流段內水流空化數呈先增大后減小分布;水流空化數均在0.3以上,表明溢洪道體型設計合理可靠,滿足工程運行要求。

2) 數值模擬得到的溢洪道過流能力、水面線及流速分布與模型試驗結果吻合良好,表明三維數值模擬分析方法正確,計算結果可信,能夠廣泛應用于工程實例,對同類工程有一定的參考價值。

[1] 何照青,祁永斐,李衛鵬.基于VOF模型的阿拉溝溢洪道流場數值模擬[J].水資源與水工程學報,2013,24(2):170-173.

[2] 蘇冬陽.張峰水庫溢洪道泄流能力分析[J].山西水利科技,2008,168(2):8-9.

[3] 崔潤.溢流表孔門槽水力特性三維數值模擬研究[J].人民長江,2013,44(7):67-70.

[4] 牛坤,把多鐸,吳小平.天生橋水電站溢洪道三維數值模擬[J].水電能源科學,2011,29(2):62-64.

[5] 許鴻飛.山西省張峰水庫溢洪道水工模型試驗報告[R].山西省水利科學研究院,2004,8:32-33.

[6] 吳建華.摻氣減蝕技術及其研究[C]∥吳有生，周如萍，顏開，等.第十一屆全國水動力學學術會議暨第二十四屆全國水動力學研討會并周培源誕辰110周年紀念大會文集.北京：海洋出版社，2012:87-94.

[7] 趙業彬,徐藝緋,駱少澤.某水電站溢流壩陡槽高速泄流摻氣減蝕試驗研究[J].水電能源科學,2012,30(9):82-84.

[8] 范世平,劉偉明,石建軍.柏葉口水庫溢洪道底板壓力分布及抗空蝕性能分析[J].水力水電技術,2010,41:37-40.

(編輯：朱 倩)

Three-dimensional Numerical Simulation on the HydraulicProperties of the Spillway of Zhangfeng Reservior

LI Jianbo,LI Li

(ShanxiHydroelectricityInvestigationandDesignInstitute,Taiyuan030024，China)

In this paper,three dimension frame model of the spillway is established to the case of Zhangfeng Reservior.The model is discretized with structure grids and hybrid grids.And the flow field of the spillway is simulated by 3-D numerical model,in which a k-ε turbulent model,SIMPLE Algorithm and volume of fluid (VOF) method are used.The results show a good agreement with the measured value about discharge capacity,water surface and the velocity distribution of the spillway.There is a reasonable distribution of the pressure on the bottom,and the flow cavitation number satisfies the design requirements.The results of numerical simulation were proved to be true and credible by the measured values.Then,a detailed analysis was given on the pressure characteristics and the flow cavitation number of the spillway,which is very useful for the optimization design of similar projects.

spillway;hydraulic propertie;numerical simulation;VOF model;flow cavitation number

1007-9432(2015)06-0775-05

2015-03-09

李建波(1970-),男，山西永濟人，高級工程師，主要從事水工設計方向的研究，(Tel)13935149903

TV TV651.1

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10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.025