側(cè)堰式溢洪道水力特性三維數(shù)值模擬★

邸宇測(cè)　牧振偉　孫文博

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830052)

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

當(dāng)前側(cè)堰溢洪道研究問(wèn)題主要集中在泄流流態(tài)、水位、流速、壓力等方面。從1981年王仕筠[3]通過(guò)對(duì)側(cè)槽溢洪道流量和堰首水位關(guān)系的研究以來(lái)，側(cè)堰式溢洪道的水力特性問(wèn)題一直深受相關(guān)學(xué)者的關(guān)注[4-6]。唐濤等[7]結(jié)合蒿枝壩水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程對(duì)側(cè)堰溢洪道進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明水流流態(tài)，過(guò)流能力與側(cè)槽底坡坡度大小有關(guān)；遲穎[8]對(duì)側(cè)堰溢洪道泄流能力模型試驗(yàn)成果與理論計(jì)算進(jìn)行了分析與探討；周斌斌[9]對(duì)側(cè)堰式階梯溢洪道的流態(tài)、流速以及底板壓強(qiáng)等水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析對(duì)比。

本文采用模型試驗(yàn)與三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)側(cè)堰式溢洪道的流態(tài)、水面線、流速、壓強(qiáng)以及空化特征等問(wèn)題進(jìn)行了綜合性分析研究。

1　側(cè)堰溢洪道模型試驗(yàn)

1.1　模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀尚钏畢^(qū)、側(cè)堰段、泄槽段、洞身段、挑流鼻坎及護(hù)坦組成，溢洪道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

模型試驗(yàn)采用正態(tài)模型，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型幾何比尺為λl=31.82。其他水力參數(shù)相似比尺如表1所示。

表1　重力相似條件下的各水力參數(shù)相似比尺

溢洪道模型采用高強(qiáng)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(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果分析

本次研究主要針對(duì)設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位兩種工況，其設(shè)計(jì)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(nèi)容為：流態(tài)、水面線、流速、壓力及其空化特征等。

1.2.1WES堰過(guò)流能力

經(jīng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)流量和設(shè)計(jì)流量對(duì)比：在設(shè)計(jì)水位下實(shí)測(cè)WES堰泄流量為40.21 m3，較設(shè)計(jì)泄流量約小2.5%；在校核水位下實(shí)測(cè)WES堰泄流量為204.70 m3，較設(shè)計(jì)泄流量約大0.5%。試驗(yàn)表明在大流量時(shí)WES堰泄洪能力滿足泄洪要求。

1.2.2水流流態(tài)及水深

1)當(dāng)水位為校核水位時(shí)，堰前水流較平穩(wěn)，水面幾乎無(wú)波動(dòng)，堰頂進(jìn)口水流平穩(wěn)。水流經(jīng)過(guò)堰頂，由于水流方向與側(cè)槽中軸線夾角為92°，水流直沖右岸邊墻與側(cè)槽內(nèi)的水流形成較大環(huán)流翻滾，于右岸形成較高水強(qiáng)(低于堰頂)，且側(cè)槽右岸水墻的高度與厚度隨流量的增加而增加。

2)過(guò)渡段(樁號(hào)0+035.00～0+065.00)由于連接側(cè)槽，右岸水深高于左岸，兩岸水深高差隨距進(jìn)口距離的增加而減小，兩岸水深在漸變段趨于平穩(wěn)；過(guò)渡段水深有跌落現(xiàn)象，過(guò)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(wěn)，且呈隨距進(jìn)口距離的增加而降低。

試驗(yàn)表明，在校核水位和設(shè)計(jì)水位時(shí)，溢洪道沿程水深均低于邊墻高度，滿足原設(shè)計(jì)要求。

1.2.3流速與壓強(qiáng)

試驗(yàn)表明校核洪水位時(shí)(見(jiàn)圖2)，過(guò)渡段進(jìn)口流速較小，流速整體呈上升趨勢(shì)，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小；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(hào)0+265.00)設(shè)計(jì)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(dòng)水壓強(qiáng)大體呈降低趨勢(shì)，在挑坎段(樁號(hào)0+255.00～0+265.00)動(dòng)水壓強(qiáng)有明顯起伏，變化較大；設(shè)計(jì)洪水位下，動(dòng)水壓強(qiáng)沿程趨勢(shì)呈局部下降，在樁號(hào)0+200.00之后壓強(qiáng)大體呈上升趨勢(shì)。溢洪道沿程壓強(qiáng)隨流量的增加而增大。動(dòng)水壓強(qiáng)沿程趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

溢洪道沿程未出現(xiàn)負(fù)壓，最小壓強(qiáng)0.3 kPa,位于側(cè)堰段0+010.00斷面的堰頂。

2　數(shù)值模擬

2.1　數(shù)值模型

根據(jù)水流特性，采用水氣兩相流的VOF模型，根據(jù)文獻(xiàn)[10]以及文獻(xiàn)[11]研究表明再引入VOF模型之后，對(duì)該模型而言由k-ε模型計(jì)算出的結(jié)果較雷諾應(yīng)力模型和代數(shù)應(yīng)力模型與實(shí)測(cè)值吻合更好。所以本次采用k-ε紊流模型對(duì)整個(gè)溢洪道原型流場(chǎng)進(jìn)行了三維紊流數(shù)值模擬。

2.2　網(wǎng)格劃分及邊界定義

數(shù)值模擬包括溢洪道側(cè)堰段、過(guò)渡段、泄槽段、洞身段、挑坎反弧段及消能區(qū)域的網(wǎng)格劃分。在對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸范圍0.1 m～0.5 m。溢洪道因此各個(gè)部分網(wǎng)格劃分疏密程度有所差異，模型總網(wǎng)格數(shù)量約19萬(wàn)個(gè)，見(jiàn)圖4。

邊界條件定義時(shí)，溢洪道進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口邊界，進(jìn)口速度根據(jù)模型試驗(yàn)中所測(cè)數(shù)據(jù)換算得來(lái)；出口采用壓力出口邊界，上邊界均采用壓力進(jìn)口邊界，其壓強(qiáng)值均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；其他均為固定邊壁，采用無(wú)滑移壁面。

2.3　結(jié)果與分析

2.3.1流態(tài)分析

計(jì)算結(jié)果表明，在校核水位下，水流從堰頂流入側(cè)槽后，水流沿曲型堰面流向側(cè)槽底板，受底板約束沿底板沖向側(cè)槽右岸邊墻，受右岸邊墻約束而頂沖向水面，到達(dá)表層后與新流入側(cè)槽的潛底水流形成向左側(cè)回旋，并將空氣卷入流場(chǎng)內(nèi)部形成明顯的橫向漩渦，該漩渦的最大寬度與側(cè)槽段的橫向?qū)挾认嗤鲌?chǎng)紊動(dòng)劇烈，上表層水流摻氣且底板局部有摻氣。側(cè)槽內(nèi)水流流態(tài)數(shù)模結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。側(cè)槽段水流流態(tài)結(jié)果見(jiàn)圖5。

過(guò)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(tài)無(wú)明顯差異，沿程水面較為平穩(wěn)；挑坎段挑射水流流態(tài)均勻。沿程流態(tài)數(shù)模結(jié)果(如圖6所示)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.3.2水面線分析

計(jì)算結(jié)果表明，在校核洪水位下水面線在洞身段均平穩(wěn)，未出現(xiàn)不良跌水現(xiàn)象。在校核流量工況下過(guò)渡段(樁號(hào)0+035.00)出現(xiàn)跌水現(xiàn)象，在樁號(hào)0+065.00出水面開(kāi)始趨于平穩(wěn)；從漸變段(樁號(hào)0+065.00)到洞身段末端(樁號(hào)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(hào)0+220.00～樁號(hào)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(yàn)測(cè)量值吻合較好，如圖7所示，試驗(yàn)測(cè)量值與數(shù)值模擬的水面線沿程趨勢(shì)與底板的形態(tài)較為接近。

2.3.3流速與壓強(qiáng)

溢洪道沿程流速模擬結(jié)果表明(見(jiàn)圖8)，側(cè)槽中水流流場(chǎng)較紊亂。側(cè)槽段流速縱向分布較規(guī)則，大小呈逐步上升趨勢(shì)。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值相接近。

校核水位下沿程未在溢洪道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，WES堰各斷面均無(wú)負(fù)壓出現(xiàn)；除去側(cè)槽段，在挑坎反弧段(樁號(hào)0+255.00～0+265.00)出現(xiàn)高壓區(qū)，在洞身段動(dòng)水壓強(qiáng)就平穩(wěn)，均在50 kPa以下。校核流量下的模擬值與校核流量試驗(yàn)值較為吻合，變化趨勢(shì)相同(見(jiàn)圖9)。

3　結(jié)語(yǔ)

1)設(shè)計(jì)方案泄洪能力滿足泄洪要求。溢洪道各段設(shè)計(jì)邊墻高度均滿足設(shè)計(jì)水位、校核水位下的泄洪要求。溢洪道沿程流速模擬結(jié)果表明，側(cè)槽中水流流場(chǎng)較紊亂。泄槽段縱向流速分布基本規(guī)則，大小沿程逐漸增加。校核洪水和設(shè)計(jì)洪水工況堰面均無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生。

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

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