泄水建筑物初擬尺寸優化方向的數值模擬

吳 琨

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

頭屯河流域屬于結構性缺水和工程性缺水區域，水資源供需矛盾突出。在流域規劃中，對現狀供需水情況進行分析，流域存在灌區缺水，主要是由于上游控制性工程少，調蓄能力不足所致。由于調蓄能力不足，造成農業春灌缺水、工業有效供水量偏低，即供水結構中工業供水比重始終無法提高；汛期洪水得不到有效控制，不能實現洪水的資源化利用。樓莊子水庫興建后，與其下游的頭屯河水庫聯合調節，可全面提高流域灌區的灌溉保證率；調節能力的提高使流域供水結構得到合理調整。

樓莊子水庫的興建，可全面提高河流下游城市、基礎設施的防洪標準，使防洪標準由目前的20年一遇標準提高到50年一遇，確保下游人民群眾的生命和財產安全；能有效改善下游工農業用水水質，減輕河道泥沙對下游供水設施及生態環境的破壞。

樓莊子水庫總庫容為7 374×104m3，正常蓄水位1 394.50 m，最大壩高82.6 m。樓莊子水庫由黏土心墻壩、導流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等建筑物組成。主要建筑物按3級建筑物設計，大壩按照2級建筑物設計，表孔溢洪洞為樞紐的主要泄洪建筑物。本文采用數值模擬的研究方法，以溢洪洞出口挑流消能方案泄水建筑物初擬尺寸建立模型，進行數值模擬計算；通過計算機模擬計算內部水流，得出模型內部水流運動狀態，通過分析水流消能情況及運動趨勢，提出泄水建筑物初擬尺寸優化方向。

為探究消力池設計過程中初擬消力池尺寸的可行性，提出泄水建筑物設計優化方向，采用數值模擬的研究方法，以樓莊子水庫為研究對象，模擬消力池內部水流運動狀態。溢洪洞由引渠段、控制段、隧洞段、泄槽段、挑流消能段組成。按照水力學公式對消力池進行初步擬定：

引渠段采用梯形斷面，底寬8.0 m，控制段為WES堰，采用弧形閘門控制的溢洪洞；泄槽段總長79.623 m，泄槽寬8.0 m，縱坡0.5，矩形斷面；出口消能段長30.5 m，采用挑流消能，挑坎半徑19.0 m，挑角30°。

1 模型及邊界條件

1.1 模型及工作原理

以泄水建筑物初擬尺寸建立計算模型，采用數值模擬的研究方法，對模型內部水流進行三維水氣兩相流數值模擬。根據消力池水氣兩相流數值模擬發展，采用現今數值模擬較為成熟的求解方法[1-4]：模型求解方法采用標準k-ε模型，用VOF(Volume of Fluid)模型求解消力池自由表面[5-8]，對消力池內部三維水氣兩相流模擬計算，根據現有模擬成果，該方法可較為真實地模擬消力池內部水流運動。見圖1。

挑流消能依靠水流下泄過程中產生的高速水流，經過挑坎投入空中，通過水流與空氣間的摩擦、水流本身互相的摩擦，將部分動能消耗，水流垂直落入河床時，再通過水流與河床的相互作用，消耗其余動能的消能方式。

圖1 模型結構圖

1.2 數學模型

離散方程組通過松馳迭代方法進行求解[9-10]，運用VOF(Volume of Fluid)模型和標準k-ε模型對計算模型進行求解。

消力池內部紊流模型數值模擬中，應用標準k-ε模型。其動量方程、連續方程和ε、k方程分別是：

式中：u為流速；模型參數Cu=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3；μ為體積分數平均的分子黏性系數；ρ為體積分數平均的密度；引入VOF模型后，ρ和μ是關于體積分數的函數，即：

ρ=αwρw+(1-αw)ρa

(5)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(6)

式中：ρω和ρa分別為水和氣的密度；μw和μa分別為水和氣的分子黏性系數。

1.3 網格劃分

溢洪洞計算模型中，泄槽段、消力池段為規則的矩形截面，此段采用結構化網格；挑流段為不規則結構，采用非結構化網格進行劃分。為提高模型計算精度，加快運算速度，泄槽段、消力池段2/3池深以下部分劃分網格較密，上部較疏。

1.4 邊界條件

模型的計算區域包括空氣和水兩種介質。模擬過程中水為主相，其密度為1 000 kg/m3；次相為空氣。

1) 空氣進口邊界。由于溢洪道水流為自由出流，計算過程中簡化模型，將溢洪洞頂部與大氣聯通，即將頂面設置邊界調節為壓力進口，壓強設置為0。

2) 進口邊界。進口邊界條件為ux=V，uy=0，uz=0；其中ux、uy、uz分別為X、Y和Z方向的分速度，取來流方向為X正向，根據不同工況的設計流量，調整進口水深和進口流速。

3) 出口邊界。下游河道水流出口與空氣出口作為模型的出口，本次研究不控制下游河道水深，出口設置為壓力出口邊界。

4) 固壁邊界條件。溢洪洞邊墻和地面為固壁邊界，采用無滑移邊界條件，為確定固壁附近的水流動態，使用標準壁面函數法模擬。

2 計算結果及分析

為探究消力池內部水流的運動狀態，對初擬消力池進行數值模擬計算。運用標準k-ε計算模型，模擬計算設計流量工況下溢洪洞下泄流量為289 m3/s，泄槽起點下泄流速6.05 m/s，得到計算模型內部水流運動狀態。

2.1 流速矢量分析

設計工況下，溢洪洞的流速矢量云圖見圖2。由圖2可知，模型內部水流流至挑坎末端時流速最大，水流出射后挑坎與消力池斜接處易發生空蝕；水流流經挑坎后形成出射水流，水流運行至消力池中部時，流速沒有減小。由此說明，水流經挑坎產生的動能沒有釋放，沒有達到預期的消能效果；觀察可看出，水流挑距較大，水流出射末端超出消力池池長。進一步優化過程中，需對挑角末端、挑角角度、消力池尺寸適當調整。

圖2 底流消能模型流速矢量云圖

2.2 水氣兩相流分析

經計算分析提取設計工況下，溢洪洞模型內部水氣兩相流云圖見圖3。經觀察可看出，泄槽段水流運動均勻，水流經泄槽平順流至挑坎末端；模型內部水流經挑坎，形成出射水流，挑射出的水流較集中，水流挑射后沒有分散，出射水流在空中能量耗散較少；挑距較大下游池長不足。經分析可得出結論，模型初擬尺寸中，挑坎角度偏小，挑射水流較集中，消力池池長偏小。

圖3 模型內部水氣兩相流云圖

2.3 壓力場分析

經計算分析提取設計工況下，模型內部壓力場云圖見圖4。由圖4可看出，泄槽段壓力較均勻，水流流至挑流段壓力逐漸增大，在挑流段中部處壓力達到峰值；說明挑流段底部受到泄水水流沖擊較大。泄水建筑物結構設計過程中，需對此段結構進行復核，結構設計過程中可參照本文計算成果對此處結構進行計算。

圖4 模型內部壓力場云圖

通過模型內部水流數值模擬，由設計工況下模型計算所得速度矢量線圖、水氣兩相流云圖、壓力場云圖分析可知，泄水建筑物初擬消力池池長較小，不能滿足消力池消能效果，水流經挑坎挑射后，水流超出消力池，需加大池長；消力池內部水流經挑角出射水流在空中未完全消能，動能未經耗散，需對水流出射挑角進行優化體型，適當加大出射角度，以達到消能效果。

3 結 語

本文通過數值模擬的研究方法，對溢洪洞消力池初擬尺寸進行了水氣兩相流三維數值模擬，采用標準k-ε模型計算模型，結合水氣兩相流VOF方法，對消力池內部水流進行跟蹤模擬。通過計算分析得出結論：樓莊子水流泄水建筑物初擬挑流消能模型尺寸未達到預期消能效果，能量耗散不充分，需適當加大挑角及消力池池長。本文研究成果為樓莊子水庫泄水建筑物消能初選方案對比提供了理論依據，后期泄水建筑物體型優化過程中，可運用本文得出結果進行分析。