溢洪道水力特性數值計算與分析

張麗花 益波 李繼成

摘要：利用非恒定流VOF法中的open channel、realizable k-ε湍流模型，對溢洪道泄槽水流進行了三維流場的紊流數值模擬研究，通過數值模擬計算，得到了溢洪道泄槽的壓力分布、流速分布和流態等，并將計算結果和模型試驗結果進行了對比分析，結果顯示二者吻合度較好。

關鍵詞：溢洪道；水力特性；數值模擬

Abstract：With the VOF method of open channel、realizable k-ε model of unsteady flow，the chute flows of spillway is simulated with a 3-D numerical model of turbulent flows.After the simulating computation，the hydraulic characteristics，such as the pressure distributions、velocities and flow patterns of the chute flows are acquired.The results are also compared with the physical model test.The results of those two methods are in accord well with each other.

Key words：spillway；hydraulic characteristics；numerical simulation

引言

樞紐布置當中，泄水建筑物溢洪道是一種最常見、使用最廣泛的建筑物，它的泄流能力和安全運行直接影響到主體建筑物大壩的安全，而在現今劇增的水電工程規模使它在整個工程中的重要性越來越突出。在對溢洪道進行初步設計時，要對它進行精準的水力學計算及模型試驗，保證其在各種工況下的泄流能力和安全運行，并同時達到投資最少。

物理模型試驗是驗證水工建筑物布置合理性的傳統方法，是在按一定比例縮小了的試驗模型上驗證實際工程的各種水力特性，由于模型和原型不可能做到所有物理量完全相似，因此，有時模型并不能完全反應原型的特性，僅可以反應原型的主要特性。

本文在傳統模型試驗的基礎上還將目前已廣泛應用的紊流數值模擬方法引入到溢洪道水力特性研究中來，應用了目前具有國際先進水平的Fluent流場計算程序，在對溢洪道進行水力學數值模擬計算，得到了溢洪道泄槽的壓力分布、流速分布和流態等，并且將結果與模型試驗結果進行對比，得到了較好的吻合度。

1.工程概況

某水電站工程主要任務為發電，工程等別為二等大（2）型。擋水、泄洪、引水及發電等永久性主要建筑物為2級建筑物，永久性次要建筑物為3級建筑物。因土石壩壩高超過100m，擋水建筑物、泄洪建筑物提高一級按1級建筑物設計。

水電站樞紐主要建筑物體系為：混凝土面板堆石壩、左岸引水發電系統及右岸泄水體系組成。泄水建筑物均布置在河右岸，包括二孔溢洪道和一條有壓泄洪洞。

水電站特征水位見表1。

2.數學模型

2.1 湍流控制方程

湍流采用雷諾平均法處理，雷諾切應力由湍流粘性系數法得到。控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、k方程、 方程。若在VOF模型中，由于水和氣共有相同的流速場和壓力場，因而對水氣兩相流可以像單相流那樣采用一組方程來描述流場。對于本文采用的k- 紊流模型，連續方程、動量方程和k、 方程可分別表示如下：

2.2 對自由表面的處理

VOF法是Hirt&Nichols于1981年提出的，模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區域的每一流體的容積比來模擬2種或3種不能混合的流體。模型對每一相引入體積分數變量，通過求解每一控制單元內體積分數確定相間界面。對于水氣兩相流場，假設水和氣具有相同的速度，即服從同一組動量方程，但它們的體積分數在整個流場中都做為單獨變量。在每個單元中，水和氣的體積分數為1，與真正的單相流相比，多一個體積分數變量。如果α表示水的體積分數，則氣的體積分數β可表示為：β=1-α。

在一個控制單元里，α=0時，控制單元內沒有水，α=1時，控制單元內充滿水，0<α<1時，控制單元內包含水氣交界面。在每個控制單元內各相體積分數總和為1。

2.3 紊流模型選取

對于紊流模型的選取，除了要測定其用于各種不同流動時能在不調整其中的常數項前提下以多大精度描述流動外，還要測定其計算所需的費用及處理問題所需的時間，后者對工程應用尤為重要。目前在工程應用和研究中使用最廣泛的紊流模型為雷諾時均模型和大渦模擬，雷諾時均模型中又以雙方程k- 模型最為成熟，以雷諾應力模型最為精確。對該大尺寸模型的模擬，考慮到雙方程中的realizable模型能夠較好的模擬該流動。最后選擇realizable k- 模型來開展計算工作。

3.數值計算

本次計算主要對水電站溢洪道進行模擬計算，分析其水力特性并與水工模型試驗進行比較。

3.1幾何模型建立及網格劃分

利用CAD平面圖構建用于網格劃分的三維模型，生出的三維實體如圖1所示。

3.2邊界條件及解算步驟

庫區水流進口采用的是壓力邊界進口條件，使用明渠流算法，給出自由水面高度和總水頭，校核工況時，上游庫水位為2254.3m，設計工況時，上游庫水位為2253.0m。空氣進口邊界設為壓力邊界條件，進口邊界處均為大氣壓。

下游出口按相應泄流量下的河道水位控制，采用壓力出口邊界條件，其他變量的法向梯度為0。

3.3計算成果

計算區域的坐標原點選在溢流堰前端與水庫相接處，X軸取沿水流方向，沿水流流向為正值。

本文對計算區域計算了2孔校核工況、設計工況兩種情況，與實測結果進行了對比驗證。校核工況上游水位高程1225.88m，2孔全開泄量5873.0m3/s，設計工況上游水位高程2253.0m，2孔全開泄量5349.0m3/s，對這兩種工況采用非恒定流進行計算，計算到50秒左右時，其流態及進出口流量基本不變時，視為計算穩定收斂情況，取計算結果進行分析，得到了一系列的水力要素。

3.3.1流量

采用規范公式計算值與模型試驗率定值對比結果見表2，采用Fluent軟件計算值與規范公式計算值對比結果見表3。

3.3.2壓力

由比較圖及表可以看出，左溢洪道壓力值試驗計算基本相當，右溢洪道在溢0+342.5及0+433.0附近壓力峰值試驗均未捕捉到，分析原因，此部位處在挑流鼻坎的底部，水流流速最大，沖擊力最大，實際工程中應考慮設通氣孔摻氣以減小水流沖擊，鑒于此，做模型試驗的時候應對此部位注意驗證。

3.3.3流速

由比較圖可以看出，試驗與計算在量級與趨勢上基本一致。計算值稍大，考慮是由于試驗限制，沒有撲捉到最大流速的原因。

結語

本文利用非恒定流模塊、vof法中的open channel、realizable k-ε湍流模型，對溢洪道泄槽水流進行了三維流場的紊流數值模擬研究，通過數值模擬計算，得到了溢洪道泄槽的壓力分布、流速分布和流態等，并將計算結果和模型試驗結果進行了對比分析，結果顯示二者吻合度較好。通過兩種方法得到的水力特性對比結果可以更加客觀地指導工程設計。

參考文獻：

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作者簡介：

張麗花（1981-），女，河北唐山人，碩士，工程師，從事水利水電工程設計工作。