復雜尾水流道消能方案研究及數值模擬分析

任 杰 張 爽

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

傳統的水工水力學分析主要有兩種方法：理論分析方法和物理模型試驗方法。近年來隨著紊流理論的提出和計算機技術的發展[1]，流體動力學數值模擬方法也成為了研究水流的重要手段之一，并且已有諸多學者采用該種方法在工程上進行了應用研究，豐富了相關成果。1985年斯杰克萊大學的Ellis J[2]提出了很多不同種類的溢洪道數學模型，并利用這些數學模型預報水流流態情況，經與物理模型對比，兩者的結果符合較好。日本京都大學Kawachi，Babar等[3]于1999年結合有限元和有限體積法提出了一種計算二維溢洪道流場的數學模型，并將所得計算結果與物理模型試驗結果進行了對比，結果符合很好。四川大學周勤、伍超等[4]對“S”型溢洪道進行了數值模擬和模型試驗工作，經比較分析數值模擬結果與實驗成果吻合較好。1999年Bruce M.Savage和Michael C.Johnson通過標準Ogee堰水流參數的研究，分析比較物理模型和數學模型數據,總結出數值模型的研究方法[5]。

本文結合國外某水電站工程，在理論方法無法進行簡化分析的前提下運用FLOW3D數值模擬計算軟件對復雜邊界條件下尾水流道的水力學特性進行了三維分析，通過方案研究成果對比確定了合適的消能方案，解決了泄水期間尾水建筑物的安全運行問題，且實際運行良好。

1 工程概況

本研究依托工程為引水式電站，共分為兩級，正常運行時一級尾水經尾水渠進入引水前池，并通過隧洞引至二級，其發電流量為21.4 m3/s。當二級引水前池需要進行檢修時水流沿分流渠和溢洪道泄向下游河道，建筑物平面布置如圖1所示。檢修期間尾水下泄需經過混凝土箱涵(含兩個轉彎段)、分流渠閘室、分流渠兩級底坎和溢洪道臺階等建筑物，水流邊界變化較多，且存在直角轉彎等現象。

根據分流渠與溢洪道連接段的布置情況，分別考慮了兩種結構型式，兩種方案布置型式見圖2。分流渠閘室下游側均設置了水跌進行消能，方案一采用下游溢洪道一級臺階跌坎內的水躍消能，方案二采用輔助消力墩進行消能，并對右邊墻進行局部加高。

2 數值模擬方法

2.1 數學模型

分流渠計算模型分別包括廠房尾水管、分流渠箱涵、分流渠閘室、兩級跌坎及臺階式溢洪道，計算模型見圖3。紊流計算模型采用k-ε模型，離散方程采用軟件自帶的有限體積法。為了獲得較為準確的水面流動情況，應用該軟件獨有的Tru-VOF法進行自由表面追蹤，該方法根據體積函數進行水氣比例計算，函數表達式見式(1)。

(1)

2.2 網格剖分

利用FLOW3D獨有的FAVOR方法，整體模型采用結構網格劃分，對于復雜幾何形狀該種網格分析方法更為簡便和快速。考慮到計算模型的尺寸規模，x,y,z三個方向上的網格尺寸均為0.2 m，計算網格總計258 703個。

3 邊界條件

尾水管頂部入流口采用FLOW3D中的Mass Momentum Sources設定穩定的電站機組尾水流量21.4 m3/s，每個機組為10.7 m3/s。模型上部與溢洪道下游側設定為壓力邊界(Specified pressure)，其余邊界為默認的對稱邊界(Symmetry)。

4 結果分析

4.1 流態及流速分析

在相同尾水流量下，當計算收斂后停止計算。圖4分別給出了不同方案水流到達溢洪道右邊墻瞬間和水流穩定后的兩種流態對比結果，分流渠典型縱剖面(左邊墻附近剖面、中軸線剖面、右邊墻附近剖面)流速云圖對比結果見圖5。

方案一中水流經過分流渠跌坎消能后以較大速度進入溢洪道一級臺階跌坎內部，水流在溢洪道右邊墻處受邊界影響快速雍高并進行直角轉彎，隨后沿臺階頂部下泄。水流流態穩定后大部分主流集中在溢洪道右邊墻附近，導致水流下泄不均。同時由于水流集中下泄的影響，計算結果中顯示溢洪道臺階頂部水面線已到達計算區域邊界，說明水面線超過了墻頂高程，因此方案一中溢洪道右邊墻高度不滿足要求，該方案無法保證安全運行。

方案二中水流受消力墩影響在分流渠跌坎下部便開始進行碰撞消能。由于水流紊動增強的效果，水流在消力墩區域較方案一水面線有所抬升，因而流速也顯著降低。當水流到達右邊墻時流速相比方案一已有所減小，因此直角轉彎處的水面雍高效果也小于方案一。流態穩定后方案二中水流下泄分布情況明顯改善，水流在消力墩區域便已開始下泄，避免了水流集中效應的產生，也使得溢洪道右邊墻附近的水面線降低。

4.2 消能率分析

根據圖5中不同方案流速云圖對比可以看出，本工程中解決彎道水流復雜邊界下不利流態的關鍵在于降低水流流速，兩種方案下分流渠跌坎下部縱剖面流速從6 m/s～7 m/s降低到3 m/s～4 m/s，消力墩消能作用明顯。為了定量說明消力墩的消能作用，針對兩個方案分別選取消力墩上下游兩個典型斷面進行能量比較，計算原理見公式(2)[6]。

計算斷面如圖6所示。方案一計算的消能率為5.2%，方案二計算消能率為23.6%。因此消能計算結果與流態及流速矢量圖中的規律一致，消力墩起到了增強水流紊動效果，消能率較大。

兩個斷面的能量可按式(2)求得：

(2)

相對消能率：

5 結語

該消能方案研究成果已用于項目中實施，且分流渠及溢洪道運行良好，通過采用數值模擬技術對復雜尾水流道消能方案的研究分析，對分流渠的細部設計進行了定性分析和定量計算，比選出了較優的布置方案，得出如下結論：

1)復雜尾水流道下應用數值模擬技術進行相應分析可得出較為全面的水力學計算結果，且計算結果與水流實際運行情況吻合度高，可見小尺度復雜邊界條件下的數值模擬計算精度滿足工程實際要求，有助于提高設計質量。2)當采用理論計算方法對復雜邊界下水流無法進行簡化分析，且無條件開展物理模型試驗時，可運用數值模擬的方法進行替代分析。3)通過實際案例應用分析，數值模擬技術(FLOW3D軟件)在進行水利水電工程流道設計中具有快速直觀的計算優勢，可快速進行不同方案的比選，避免了物理模型試驗成本高、周期長的缺點。