閘壩水力學特性的三維數值模擬

鐘海祥（中國水電海外投資有限公司，北京　100048）

閘壩水力學特性的三維數值模擬

鐘海祥
（中國水電海外投資有限公司，北京100048）

閘壩水力學特性的三維數值模擬采用標準k-ε雙方程紊流模型及基于水氣兩相流的VOF方法，運用FLOW3D軟件對閘壩進行數值模擬，得出不同水位下的閘壩泄流能力，以及不同部位的閘室及消力池水面線、流速、壓力等重要水力學要素。表明數值計算一定程度上可以達到模型試驗的效果。

水氣兩相流閘壩數值模擬泄流能力水力學要素

1　前言

某閘壩共設2孔泄洪閘，1孔泄洪沖沙閘，泄洪閘及泄洪沖沙閘過流面凈空尺寸均為12.0m×21.0m（凈寬×凈高），泄洪沖沙閘后布置深4.5m，長36m消力池。廠房段布置于樞紐中部靠左，為河床式廠房。閘壩壩頂高程494.0m，泄洪閘段閘室高程470.0m。因庫區有公路橋及鐵路橋，閘壩泄流能力至關重要，而壩址上下游地形較為復雜，對泄流能力有一定程度的影響，規范公式無法精確算出。鑒于模型試驗周期長，成本較大，故運用大型流體計算軟件FLOW3D對其進行數值模擬計算，以求得閘壩泄流能力及水面線、流速、壓力等重要水力學要素。

2　數值模型的建立

2.1基本方程

本計算采用k-ε紊流數學模型，引入適用于分層兩相流的VOF方法求解自由水面，Hirt和Nichols［1］提出的VOF法是目前處理帶自由表面分層流問題的較理想方法。鑒于閘壩水流條件并不復雜，采用標準k- e紊流模型計算，其連續方程、動量方程和k，ε方程分別為：

連續方程：

動量方程：

k方程：

ε方程：

式（2）中， ρ和 μ分別為體積分數平均的密度和分子粘性系數。P為修正壓力； μt為紊流粘性系數，它可由紊動能k和紊動耗散率ε求出：

圖1　閘壩三維模型圖（下游看）

圖2　閘壩三維模型圖（上游看）

圖3　閘壩及附近地形網格剖分

圖4　整體流場圖

表1　計算區域剖分情況表

表2　邊界條件參數表

表3　各工況進出口邊界條件

表4　各工況泄流能力

式（5）中， Cμ為經驗常數，取 Cμ=0.09。σk和 σε分別是 k和ε的紊流普朗特數， σk=1.0，σε=1.3。 C1ε和 C2ε為ε方程常數，C1ε=1.44， C2ε=1.92。G為由平均流速梯度引起的紊動能產生項，它可以由下式定義：

引入VOF模型的紊流模型方程（1）、（2）、（3）、（4）與單相流的 kε-模型形式完全相同，只是密度 ρ和 μ的具體表達式不同，它們由體積分數加權平均值給出，即密度 ρ和 μ是體積分數的函數，而不是一個常數，它們可以由下式表示出來：

式（7）、（8）中，wα為水的體積分數，wρ和aρ分別為水和氣的密度，wμ和aμ分別為水和氣的分子粘性系數。通過對水的體積分數wα的迭代求解， ρ和 μ的值都可以由（7）、（8）求出。

2.2計算條件

2.2.1閘壩模型

取壩軸線上游100m至壩下游160m的范圍進行模擬計算，閘壩樞紐采用大型三維軟件INVENTOR建模，生成STL文件后，導入Flow3D；河道模型通過AutoCAD生成的坐標點導入Flow3D。之后二者通過坐標轉換對接，組合成整體模型，進行水力學的數值仿真計算。模型如圖1～圖2所示。

2.2.2計算區域

實體地形及閘壩在FLOW 3D軟件中按障礙物考慮。坐標軸規定如下：

X軸——順水流向，上游指向下游為正；Y軸——垂直水流向，右岸指向左岸為正；Z軸——豎直向，豎直向上為正，符合右手螺旋定則。

坐標原點為壩橫0+000.00與壩軸線的交點處。FLOW 3D中網格的剖分范圍即計算區域。計算區域包括固體部分和流體部分。固體部分的范圍：上游地形段、上游鋪蓋段、閘室段、下游鋪蓋及消力池段、下游地形段。流體部分的范圍：上游地形至下游地形的穩定水體。網格剖分情況見圖3和表1。因體型較為規則，故建立一個模塊分析。

2.2.3邊界條件

邊界條件的設定見表2。

邊界條件說明：Specified pressure為壓力邊界，以符號P表示。block1： X Min邊界條件為水流入口，F fraction設為1， X Max邊界條件為水流出口，F fraction設為1。

Symmetry為對稱邊界，以符號S表示。

2.2.4計算參數

各工況下進出口水位取值見表3 。考慮河道長度及水流速度，設定流速計算時間為120s。河道糙率取0.04，閘壩糙率取0.014。

3　計算結果與分析

3.1泄流能力

表4 為各工況下閘壩泄洪能力，并與規范公式［2］對比分析，可知受地形及建筑物布置等因素的影響，模擬流量較規范公式計算流量偏小，但三工況下泄流量誤差均在5%以內。

3.2校核水位下流態分析

圖4 為校核水位下樞紐區整體水流流態。0s時三孔工作閘門同時打開，120s后，進出口流量平衡，可視為水流已經穩定。整體來看，上游庫區水流較為平穩，進入泄洪閘后，水面跌落，勢能轉化為動能，泄洪沖沙閘出現水躍；廠房后出現靜水三角區；進入下游河道160m后，水流平順，逐漸調整趨于穩定。因泄洪沖沙閘泄洪時形成水躍，致使水面較其他位置高，為尾水平臺周圍水面最高處，此工況下，水流最高點為484.2m，距尾水平臺0.8m，考慮到水躍波動較大，為安全計，應在此處設防浪墻等措施。

4　結語

本文利用k-ε紊流數學模型，引入適用于分層兩相流的VOF方法求解，采用FLOW3D軟件對閘壩泄洪能力及各水力參數進行了分析，結論如下：

（1）受地形及建筑物布置影響，各水位下泄流能力均較規范公式偏小，但在5%以內，可對工程作一參考。（2）閘室整體水流流態較為平順，但校核水位下泄洪沖沙閘至尾水平臺處水面較高，應做一定防護措施。（3）一定程度上反映了流速、壓力等水力學要素的分布情況。鑒于數值計算的易操作、低成本和無比尺效應等優越性，在消能工的選型和優化設計工作中，數值模擬方法將發揮更大的作用，甚至部分代替相當的試驗，縮短試驗周期。

［1］Hirt CW，Nichols B D. Volume of fluid （VOF）Method for the Dynamics of Free Boundaries［J］.J.Compul.Phys.1981（39）:201-225.

［2］中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 5166-2002 溢洪道設計規范［S］.中國電力出版社.

鐘海祥（1972—），男，本科，高級工程師，主要從事海外水電項目的管理。