側堰式溢洪道水力特性三維數值模擬★

邸宇測　牧振偉　孫文博

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊　830052)

目前實際工程中哈拉布拉水庫[1]、白石崖水庫[2]、五排水庫等岸邊溢洪道由于地形原因，均采用了側堰式溢洪道。

當前側堰溢洪道研究問題主要集中在泄流流態、水位、流速、壓力等方面。從1981年王仕筠[3]通過對側槽溢洪道流量和堰首水位關系的研究以來，側堰式溢洪道的水力特性問題一直深受相關學者的關注[4-6]。唐濤等[7]結合蒿枝壩水庫除險加固工程對側堰溢洪道進行了水工模型試驗研究，結果表明水流流態，過流能力與側槽底坡坡度大小有關；遲穎[8]對側堰溢洪道泄流能力模型試驗成果與理論計算進行了分析與探討；周斌斌[9]對側堰式階梯溢洪道的流態、流速以及底板壓強等水力特性進行了試驗與數值模擬分析對比。

本文采用模型試驗與三維數值模擬相結合的方法對側堰式溢洪道的流態、水面線、流速、壓強以及空化特征等問題進行了綜合性分析研究。

1　側堰溢洪道模型試驗

1.1　模型設計

試驗模型由蓄水區、側堰段、泄槽段、洞身段、挑流鼻坎及護坦組成，溢洪道結構見圖1。

模型試驗采用正態模型，模型按重力相似準則設計，模型幾何比尺為λl=31.82。其他水力參數相似比尺如表1所示。

表1　重力相似條件下的各水力參數相似比尺

溢洪道模型采用高強度亞克力玻璃板材制作，其糙率n=0.008，采用亞克力玻璃模擬可以滿足糙率相似要求。

1.2　設計方案試驗結果分析

本次研究主要針對設計洪水位及校核洪水位兩種工況，其設計流量分別為41.26 m3,203.72 m3，堰上水頭分別為0.7 m,2.04 m，主要分析內容為：流態、水面線、流速、壓力及其空化特征等。

1.2.1WES堰過流能力

經試驗實測流量和設計流量對比：在設計水位下實測WES堰泄流量為40.21 m3，較設計泄流量約小2.5%；在校核水位下實測WES堰泄流量為204.70 m3，較設計泄流量約大0.5%。試驗表明在大流量時WES堰泄洪能力滿足泄洪要求。

1.2.2水流流態及水深

1)當水位為校核水位時，堰前水流較平穩，水面幾乎無波動，堰頂進口水流平穩。水流經過堰頂，由于水流方向與側槽中軸線夾角為92°，水流直沖右岸邊墻與側槽內的水流形成較大環流翻滾，于右岸形成較高水強(低于堰頂)，且側槽右岸水墻的高度與厚度隨流量的增加而增加。

2)過渡段(樁號0+035.00～0+065.00)由于連接側槽，右岸水深高于左岸，兩岸水深高差隨距進口距離的增加而減小，兩岸水深在漸變段趨于平穩；過渡段水深有跌落現象，過渡段入口與末端水深差較大；溢洪道整體在洞身段趨于平穩，且呈隨距進口距離的增加而降低。

試驗表明，在校核水位和設計水位時，溢洪道沿程水深均低于邊墻高度，滿足原設計要求。

1.2.3流速與壓強

試驗表明校核洪水位時(見圖2)，過渡段進口流速較小，流速整體呈上升趨勢，在挑坎末端有些許下降。由于糙率影響在同一典型斷面下表面的流速較上表面要??；由于空氣阻力影響在挑坎末端中部的流速較上表面大。最大流速位于挑坎末端(樁號0+265.00)設計洪水位下流速為10.53 m/s；校核洪水位下流速為18.23 m/s。

校核洪水位下，沿程動水壓強大體呈降低趨勢，在挑坎段(樁號0+255.00～0+265.00)動水壓強有明顯起伏，變化較大；設計洪水位下，動水壓強沿程趨勢呈局部下降，在樁號0+200.00之后壓強大體呈上升趨勢。溢洪道沿程壓強隨流量的增加而增大。動水壓強沿程趨勢見圖3。

溢洪道沿程未出現負壓，最小壓強0.3 kPa,位于側堰段0+010.00斷面的堰頂。

2　數值模擬

2.1　數值模型

根據水流特性，采用水氣兩相流的VOF模型，根據文獻[10]以及文獻[11]研究表明再引入VOF模型之后，對該模型而言由k-ε模型計算出的結果較雷諾應力模型和代數應力模型與實測值吻合更好。所以本次采用k-ε紊流模型對整個溢洪道原型流場進行了三維紊流數值模擬。

2.2　網格劃分及邊界定義

數值模擬包括溢洪道側堰段、過渡段、泄槽段、洞身段、挑坎反弧段及消能區域的網格劃分。在對網格進行劃分時，全部采用六面體結構化網格，網格尺寸范圍0.1 m～0.5 m。溢洪道因此各個部分網格劃分疏密程度有所差異，模型總網格數量約19萬個，見圖4。

邊界條件定義時，溢洪道進口邊界采用速度進口邊界，進口速度根據模型試驗中所測數據換算得來；出口采用壓力出口邊界，上邊界均采用壓力進口邊界，其壓強值均為標準大氣壓；其他均為固定邊壁，采用無滑移壁面。

2.3　結果與分析

2.3.1流態分析

計算結果表明，在校核水位下，水流從堰頂流入側槽后，水流沿曲型堰面流向側槽底板，受底板約束沿底板沖向側槽右岸邊墻，受右岸邊墻約束而頂沖向水面，到達表層后與新流入側槽的潛底水流形成向左側回旋，并將空氣卷入流場內部形成明顯的橫向漩渦，該漩渦的最大寬度與側槽段的橫向寬度相同，流場紊動劇烈，上表層水流摻氣且底板局部有摻氣。側槽內水流流態數模結果與實驗結果一致。側槽段水流流態結果見圖5。

過渡段水深變化較大有明顯水跌，水深隨距離的變化趨于平順，最大水位差3.855 m；在洞身段流態無明顯差異，沿程水面較為平穩；挑坎段挑射水流流態均勻。沿程流態數模結果(如圖6所示)與試驗結果基本一致。

2.3.2水面線分析

計算結果表明，在校核洪水位下水面線在洞身段均平穩，未出現不良跌水現象。在校核流量工況下過渡段(樁號0+035.00)出現跌水現象，在樁號0+065.00出水面開始趨于平穩；從漸變段(樁號0+065.00)到洞身段末端(樁號0+220.00)兩種工況均小于6 m,末端水深2.77 m；反弧挑坎段(樁號0+220.00～樁號0+230.00)水面緊貼底板呈壅水曲線，水深沿水流方向先增加后減小，最高水深3.44 m。校核工況的模擬值與校核工況下的試驗測量值吻合較好，如圖7所示，試驗測量值與數值模擬的水面線沿程趨勢與底板的形態較為接近。

2.3.3流速與壓強

溢洪道沿程流速模擬結果表明(見圖8)，側槽中水流流場較紊亂。側槽段流速縱向分布較規則，大小呈逐步上升趨勢。模擬結果與實測值相接近。

校核水位下沿程未在溢洪道內出現負壓，WES堰各斷面均無負壓出現；除去側槽段，在挑坎反弧段(樁號0+255.00～0+265.00)出現高壓區，在洞身段動水壓強就平穩，均在50 kPa以下。校核流量下的模擬值與校核流量試驗值較為吻合，變化趨勢相同(見圖9)。

3　結語

1)設計方案泄洪能力滿足泄洪要求。溢洪道各段設計邊墻高度均滿足設計水位、校核水位下的泄洪要求。溢洪道沿程流速模擬結果表明，側槽中水流流場較紊亂。泄槽段縱向流速分布基本規則，大小沿程逐漸增加。校核洪水和設計洪水工況堰面均無負壓產生。

2)采用物理模型試驗及溢洪道Fluent軟件進行數值模擬運算的方法，能夠清晰地分析各工況下的水力特性數值。

參考文獻:

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