溢洪道挑流水舌形狀數值模擬計算研究

麥麥提江·艾麥提

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局焉耆水源地供水管理處，新疆 塔里木 841100)

溢洪道是用于排放水庫中多余水量、漂浮物、泥沙等的重要水工建筑物，是維護水庫安全運行的重要保證［1～2］。泄洪消能是水利建設中的重要技術問題，水利工程的修建勢必引起天然河道水流特性的改變，在上下游落差的作用下，溢洪道的水流速度將會明顯大于河水流速，因此溢洪道的寬度一般小于河床寬度。如果不采取有效措施，將會沖刷下游河床，危及水利樞紐的安全。

從國內外的研究進展來看，研究溢洪道的文獻很多，但是對挑流水舌進行數值模擬的文獻還不多見［3～4］。本文以水利樞紐溢洪道為研究對象，分析溢洪道的泄洪功能。采用FLUENT軟件對單一工況下的挑流水舌形狀進行數值模擬研究。

1 溢洪道挑坎試驗研究

溢洪道模型按照重力相似性準則進行設計，模型的幾何比例尺取50，流量比例尺為17677.67，流速比例尺為7.07，時間比例尺為7.07，粗糙度比例尺為1.92。本次試驗模型由溢洪道閘室、泄槽、挑坎等部分組成。上游水位測點位于溢洪道進口60m處，下游水位測點位于挑坎下游175m的位置。

首先研究溢洪道的泄流能力，溢洪道3個孔的狀態分別為:全開、開度1m、開度2m、開度4m。在這些工況下分別觀測泄流量為200m3/s和500m3/s時的溢洪道泄流狀態和沖淤地形。在水庫正常水位下，溢洪道全開的泄流量為1213m3/s，在水庫校核水位下，溢洪道的全開下泄流量為1584m3/s。根據模型的泄流量，定義3孔全開的綜合流量系數［5］計算公式:

式中:Q為測量出的流量值;B為孔口的寬度;H0為全水頭。

計算得出，庫區水位在正常值和校核值之間變化時，綜合流量系數為0.38～0.45。通過對試驗模型進行沖刷試驗，得出如下結論。

(1)溢洪道的泄流能力隨著水位升高而變大，流量系數變化規律符合WES性能。

(2)現有模型采用連續型挑坎，但是試驗中發現溢洪道的出口水舌對左岸坡沖刷嚴重，不利于岸坡的長期穩定性。

(3)泄洪過程中，水舌位置過于集中，左岸坡腳處存在較大沖坑。

分析可知該水庫的挑流水舌沖刷左岸岸坡，為了解決這個問題，設計了3種新型挑坎和改進方案使挑流水舌落到河床中央。

第1種挑坎改進方案，是在原有挑坎左邊墻的位置設計了圓弧貼角體，其圓弧底弧半徑為35m，頂弧半徑為45m。將溢洪道的下泄流量設置為500m3/s，觀測此情況下的水舌形態，在貼角的作用下，水舌已經離開左岸坡，但是這種改造方法僅對挑坎左側一部分水流起作用，大部分水流仍保持原來的形態。水舌落點仍距離左岸坡很近，在坡腳處形成14.2m的沖坑，但是深度已經比未改造時減小3.1m。如圖1所示。

圖1 第1種設計方案示意圖

第2種挑坎改進方案，是將挑坎左側的直坡延長，右側保持不動，這樣就形成了斜挑坎，利用挑坎末端的高度差將水舌導向溢洪道中央。將溢洪道的下泄流量設置為500m3/s，觀測此情況下的水舌形態和淤積情況。這種改進方案的水舌挑距和沖刷情況與改進前基本相似，只是挑射高度有所不同。如圖2所示。

第3種挑坎改進方案，是在原挑坎的基礎上增加兩個圓弧導流墻。這樣單槽挑坎就被分為三槽，導墻的厚度設置為1.2m，并將原有左邊墻的長度縮短5m。將溢洪道的下泄流量設置為200m3/s、500m3/s，觀測此情況下的水舌形態，分槽后下泄水流將遠離左岸坡，這種改進方案的效果最好。如圖3所示。

表1給出了3種改進方案的下泄流量、沖坑特征值、下游水位參數。

表1 3種改進方案試驗數據

圖2 第2種設計方案示意圖

圖3 第3種設計方案示意圖

2 溢洪道水舌數值模擬研究

2.1 模型建立

采用FLUENT軟件對第3種改進方案進行數值模擬，在模擬之前首先建立數學模型。網格劃分在GAMBIT軟件中完成，并設置好邊界條件和入口參數，設置的設計工況下的入口速度為15m/s，水深為3.2m，校核流量下的水流速度為15.25m/s，水深為4.2m。使用結構化網格進行劃分，并在水舌處進行局部加密處理，整個模型的網格數量約為64.7萬。計算采用FLUENT軟件中的分離式求解器，并進行壓力場與速度場的耦合。

采用3種湍流模型模擬了挑舌形狀，分別為kε雙方程模型、RNG k－ε模型、Realizable k－ε模型［6］。k－ε雙方程模型有紊動能和耗散率兩個參數，應用范圍最廣但是在彎曲處會存在失真。RNG k－ε模型修正了湍流粘度，考慮了旋轉彎曲情況，可用于處理流線曲率變化較大的流動。Realizable k－ε模型引入了旋轉理論，將湍動能系數與應變率結合起來，精度最高。

2.2 求解結果

利用FLUENT軟件對挑流水舌進行數值模擬。前文模型試驗得出的挑流水舌縱向挑距為75m，橫向挑距為35.6m，挑高為19m。k－ε雙方程模型模擬得出的挑流水舌縱向挑距為72.8m，橫向挑距為20.5m，挑高為17.8m。RNG k－ε模型模擬得出的挑流水舌縱向挑距為73.2m，橫向挑距為30.2m，挑高為18.2m。Realizable k－ε模型模擬得出的挑流水舌縱向挑距為73.6m，橫向挑距為22.4m，挑高為18.4m。3種湍流模型得出的挑流水舌參數都比較接近，但是k－ε雙方程模型、Realizable k－ε模型計算出的橫向挑距與模型試驗間的差距很大，RNG k－ε模型計算出的橫向挑距與試驗結果相近，這種算法更接近實際結果。

由數值計算結果可知，測量結果與數值模擬結果間的相對誤差在7% ～10%之間。RNG k－ε模型計算出的橫向挑距與試驗結果相近，分析產生誤差的原因，可能是網格劃分的不精確，計算中的誤差被軟件放大。

3 結語

消能是水利建設中的重要技術問題，水利工程的修建勢必引起天然河道水流特性的改變。以水利樞紐溢洪道為研究對象，分析了溢洪道的泄洪功能，并在模型試驗的基礎上提出了3種挑坎改進方案。采用FLUENT軟件對單一工況下的挑流水舌形狀進行數值模擬，采用3種湍流模型模擬了挑舌形狀，分析了3種湍流模型在挑舌形狀數值模擬中的適用性。數值計算結果可知，測量結果與數值模擬結果間的相對誤差在7%～10%之間。RNG k－ε模型計算出的橫向挑距與試驗結果相近。

［1］陸周祺.溢流壩池式消力戽數值模擬及特性分析［J］.水利規劃與設計，2013(12):64-66.

［2］木克然·阿娃，阿力甫江·阿不里米提，木拉提·玉賽音，等.阿拉溝水庫溢洪道流場數值模擬［J］.水利與建筑工程學報，2014(02):38-43.

［3］高學平，賈來飛，宋慧芳，等.溢洪道摻氣坎槽后摻氣水流三維數值模擬研究［J］.水力發電學報，2014(02):90-96.

［4］郭紅民，向光明，謝洋，等.毛家河水電站溢洪道三維數值模擬［J］.水電能源科學，2013(03):81-85.

［5］林禎兆.溢洪道的水力特性研究［J］.水利規劃與設計，2010(02):48-49+54.

［6］周宏，黃騰，胡金杰.對蓄滯洪區設計及蓄滯洪區安全區涵閘設計的建議［J］.水利技術監督，2015(01):52-55.