臺階式溢洪道泄流規律數值研究

李彩霞

（博樂農五師全新勘測設計有限公司，新疆博樂833400）

臺階式溢洪道泄流規律數值研究

李彩霞

（博樂農五師全新勘測設計有限公司，新疆博樂833400）

臺階式溢洪道是水庫防洪系統的組成部分，承擔著重要的任務，具有良好的泄流和消能效果。隨著碾壓混凝土技術在水利工程中的應用，對臺階式溢洪道進行水力特性研究具有重要意義。以水利樞紐臺階式溢洪道為研究對象，首先分析了溢洪道的泄洪功能，并指出了臺階式溢洪道研究中存在的不足。采用FLUENT軟件對臺階式溢洪道進行數值模擬，分析了溢洪道水流流態、水面線、壓力分布。研究表明：臺階式溢洪道底部壓力最大，自底部向上沿豎直方向逐漸降低到負壓后，又開始增大。

臺階式；溢洪道；泄流規律；數值模擬

溢洪道是排放水庫中多余水量、漂浮物、泥沙等的重要水工建筑物［1-2］。泄洪消能是水利建設中的重要技術問題，20世紀90年代我國開始修建臺階式溢洪道，國內眾多學者也開始對溢洪道水利特性進行研究。水利工程的修建勢必引起天然河道的改變，在水庫前后水位落差的作用下，臺階式溢洪道流速將明顯大于河水流速［3］。如果不采取有效措施，高速水流將會沖刷下游河床，危及水壩安全。

隨著碾壓混凝土技術在水利工程中的應用，對臺階式溢洪道進行水力特性研究具有重要意義。根據平面軸線不同，溢洪道可分為直線型和曲線型2種，研究顯示只要斜坎布置合理，曲線形溢洪道就能滿足需求。目前，新型臺階式溢洪道主要有：V型曲線形溢洪道和外凸臺階溢洪道［4］。以水利樞紐臺階式溢洪道為研究對象，首先分析了溢洪道的泄洪功能，并指出了臺階式溢洪道研究中存在的不足。采用FLUENT軟件對臺階式溢洪道進行數值模擬，分析了溢洪道水流流態、水面線、壓力分布。希望為今后臺階式溢洪道設計提供參考。

1 溢洪道消能率研究

隨著水利科技工作者對溢洪道問題的深入研究，我們對溢洪道消能特性有了深刻的認識。臺階式溢洪道消能效果關系到整個水利工程的安危，目前消能率的計算公式很多，最簡單的公式是基于能量方程得出的。消能率［5-6］：

式中：η—溢洪道消能率，%；E1—上游水頭，m；E2—下游水頭，m；ΔE—上下游高度差，m。

臺階式溢洪道的消能主要通過自摻氣功能實現，但是氣液兩相流是一種非常復雜的流態，目前尚未有完整的理論體系對摻氣量進行計算，臺階式溢洪道氣液兩相流問題還處于探索性階段。1994年，Chanso提出了單一臺階摻氣量的計算式［7］：

式中：Ei—單一臺階的摻氣率，E水舌—入射水舌的摻氣率，E水躍—水躍的摻氣率。

在發展前期，主要通過模型試驗對溢洪道泄流特性進行研究。本文設計的臺階式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，流速比例尺為7.07，時間比例尺為7.07，粗糙度比例尺為1.92。該模型由溢洪道閘室、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，綜合流量系數為0.38～0.45。通過對模型進行多參數試驗，研究臺階尺寸、流量對消能率的影響，根據試驗數據推導出消能率的計算公式。目前，臺階式溢洪道水力特性研究還處于較低層次，仍有許多技術問題亟待解決，主要有［8］：溢洪道的泄流能力隨著水位升高而變大，如何準確測量溢洪道流場的速度分布、摻氣量仍有一定困難；現有模型采用連續型挑坎，在大流量時如何保證臺階溢洪道表面的空氣腐蝕成為研究難點；現階段消能率的計算式大多由模型試驗導出，數值模擬精度還有待提高；氣液兩相流研究理論還不完善，臺階式溢洪道水力現象的微觀機理還有待進一步研究；臺階式溢洪道內部的水流流態十分復雜，屬于旺盛的湍流，流動中有水力沖擊波產生，水力波動會對溢洪道邊墻產生危害。

2 溢洪道泄流規律數值研究

2.1 模型建立

采用FLUENT軟件對臺階式溢洪道進行數值模擬，在模擬之前首先建立數學模型。根據模型試驗的相關數據，取設計洪水和校核洪水2個計算工況，以便對溢洪道臺階上的壓強分布規律進行研究。對溢洪道剖面進行2維計算，對溢洪道整體進行3維數值計算，模型建立用AutoCAD完成，網格劃分在GAMBIT軟件中完成，并設置好邊界條件和入口參數。網格劃分是數值計算的關鍵，本文采用結構化網格劃分方法，由于臺階式溢洪道計算區域較為復雜，對臺階面網格進行局部加密處理，整體采用0.8m的網格間距，臺階面采用0.2m網格間距，整個模型的網格數量約為160萬。計算采用FLUENT軟件中的VOF求解器，并進行壓力場與速度場的耦合。

采用標準k-ε雙方程模型進行求解，控制方程選用有限體積法，壓力場與速度場的耦合采用SMPLE方法［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臺階彎曲處會存在失真。為了提高計算精度，對流項采用2階迎風格式。設計水位和校核水位2種計算工況參數見表1。

表1 2種計算工況參數

通過計算結果對比，發現2次計算間的質量誤差已經小于0.1%，由此判斷2次計算已經收斂。

2.2 數值模擬結果

臺階式溢洪道的流態主要有：跌落水流、過渡水流、滑行水流3種。圖1給出了2種計算工況下的剖面水流流態情況。

圖1 2種工況下溢洪道水流流態

由圖1可以看出，本文模擬的溢洪道水流較為平緩，摻氣沿著豎直面逐漸增多，在溢洪道中墩以后也未出現明顯的水力沖波。數值結果表明，校核工況的摻氣位置為第6個臺階，而設計洪水工況下在第3個臺階末端就開始摻氣。

隨著水流的高速流動，泄流會出現霧化現象，本文在數值計算時摻氣濃度取值為60%，校核工況水面線分布情況如圖2所示。

圖2 校核工況水面線分布

由圖2可知，滑行流態下，水面線在前幾個臺階處下降速度較快，隨著水流摻氣后，水面線下降的幅度減小。圖3給出了溢洪道校核水位工況下的剖面壓力分布。

數值計算結果表明，在開始的幾個臺階上存在負壓區域。分析產生負壓的原因可知，可能是水流經過過渡段時出現脫壁導致的。通過對比試驗值和計算值，發現前幾個臺階的計算值較為準確，后幾個臺階出現了一定誤差，其原因可能是實測壓力中存在動壓。研究表明：臺階式溢洪道底部壓力最大，自底部向上沿豎直方向逐漸降低到負壓后，又開始增大。

圖3 校核水位工況壓力分布

3 結語

隨著碾壓混凝土技術在水利工程中的廣泛應用，臺階式溢洪道水力特性分析越來越重要。以水利樞紐臺階式溢洪道為研究對象，分析了溢洪道的泄洪功能，指出臺階式溢洪道研究中存在的不足。對溢洪道水流流態、水面線、壓力分布進行了數值模擬，得出：滑行流態下，前幾個臺階處下降速度較快，隨著水流摻氣后，水面線下降的幅度減小；溢洪道底部壓力最大。但是由于計算模型做了簡化，計算結果與實際情況還有一定差距，有必要建立高精度湍流模型，以提升計算精度。

［1］周斌.多流道式彎道在黃山洞水庫溢洪道加固中的應用［J］.水利規劃與設計，2014（05）：81-83+92.

［2］崔華存.小型病險水庫溢洪道設計中的問題及解決方案［J］.水利規劃與設計，2014（03）：62-64.

［3］任雙立，呂勛博.Fluent軟件在溢洪道泄流中的應用［J］.電網與清潔能源，2014（07）：77-80+85.

［4］李剛，李亞飛.孤石灘水庫除險加固工程溢洪道泄流能力研究［J］.河南水利與南水北調，2013（24）：36-38.

［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］李西平.鴨河口水庫溢洪道泄流能力研究［J］.人民長江，2010（09）：92-94.

［7］張艷麗.海龍川水庫溢洪道加固設計與計算分析［J］.水利技術監督，2015（01）：49-51.

［8］賀芳丁，馮毅，張濤.尚莊水庫除險加固工程溢洪道設計方案分析［J］.水利技術監督，2011（05）：45-47.

TV135.2；TV651.1

A

1672-2469（2015）12-0073-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.026

李彩霞（1982年—），女，工程師。