某水庫(kù)溢洪道明渠擴(kuò)散段三角翼體型參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

黃智峰，鄢慧歡

(江西華欽建設(shè)工程有限公司，江西 南昌 330038)

水利水電工程中，擴(kuò)散過(guò)渡段的位置和形態(tài)會(huì)直接影響到工程的安全運(yùn)行，必須認(rèn)真設(shè)計(jì)和施工[1]。當(dāng)前，在水利水電工程設(shè)計(jì)中，為了滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于擴(kuò)散段擴(kuò)散角的要求，一般會(huì)采取增加過(guò)渡段長(zhǎng)度的方式。但是，在部分水利水電工程建設(shè)中，受壩址區(qū)地質(zhì)以及空間限制，不得不使用較短的擴(kuò)散段長(zhǎng)度，而選擇大擴(kuò)散角過(guò)渡[2]。但是，相關(guān)學(xué)者的理論研究和工程實(shí)踐也證明，如果擴(kuò)散段的擴(kuò)散角過(guò)大，邊界對(duì)水流的影響作用就會(huì)顯著增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致水流斷面的能量分布不均，導(dǎo)致顯著的側(cè)壁回流、邊界脫流以及主流偏流等問題，從而影響水工建筑物的正常使用，情況嚴(yán)重的還會(huì)危及水工建筑物的安全[3]。由此可見，對(duì)于沒有足夠空間布置小擴(kuò)散角過(guò)渡段的水利水電工程，如何對(duì)大擴(kuò)散角條件下的水流進(jìn)行控導(dǎo)和干預(yù)是亟待解決的工程問題，而這也正是當(dāng)前水利工程建設(shè)領(lǐng)域的薄弱之處，該領(lǐng)域的研究成果也必將具有巨大的理論和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)表明，在擴(kuò)散段設(shè)置潛沒式三角翼能夠?qū)υ摬课坏乃w流動(dòng)起到有效的控制作用，屬于比較有效的控導(dǎo)手段，但是如果三角翼設(shè)置不合理，仍會(huì)產(chǎn)生比較明顯的回流區(qū)[4]。因此，有必要就三角翼對(duì)擴(kuò)散段的水流控導(dǎo)效果進(jìn)行深入研究。

1 計(jì)算模型的構(gòu)建

1.1 幾何模型的選擇

本次研究的原型選擇某水庫(kù)工程溢洪道明渠擴(kuò)散段，該水庫(kù)位于江西省，下游距離縣城約35km。該水庫(kù)的主要任務(wù)是城市供水，同時(shí)兼具防洪和下游農(nóng)業(yè)灌溉條件的改善。水庫(kù)的設(shè)計(jì)庫(kù)容為1.6億m3，工程等別為Ⅱ等。水庫(kù)的永久性建筑物主要包括大壩、副壩、溢洪道和輸水設(shè)施。考慮本文研究的重點(diǎn)與計(jì)算的復(fù)雜程度，幾何模型選擇的是溢洪道擴(kuò)散段以及上游的直線窄段50m和下游直線寬段120m。

1.2 模型的構(gòu)建

模型創(chuàng)建是流體數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合本次研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)以及相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，采用ANSYS三維建模軟件進(jìn)行研究對(duì)象的幾何建模，利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建[5]。一般情況下，模型的網(wǎng)格劃分越密集，計(jì)算精度越高，但是計(jì)算量也會(huì)急劇增大，因此，本文對(duì)三角翼部分采用混合網(wǎng)格劃分[6-8]，最終獲得294110個(gè)網(wǎng)格單元，244268個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，過(guò)渡段混合網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1 過(guò)渡段混合網(wǎng)格示意圖

1.3 邊界條件

結(jié)合本次研究的實(shí)際情況以及平面大擴(kuò)散角銜接過(guò)渡段流動(dòng)數(shù)值模擬研究的相關(guān)成果，設(shè)定如下邊界條件：對(duì)于模型的入口選取液相速度入口邊界條件與氣相壓力入口邊界條件[9-10]。具體而言，根據(jù)模型入口部位的設(shè)計(jì)流量，計(jì)算入口邊界均勻來(lái)流條件。對(duì)于模型的出口，設(shè)置壓力出口邊界條件，根據(jù)某水庫(kù)下游的實(shí)測(cè)水位設(shè)置水流自由面的高程，本次研究的模擬工況全部為平面大擴(kuò)散段兩相流問題，模型下游出口處的水流可以自由發(fā)展，沒有回流現(xiàn)象出現(xiàn)；模型設(shè)置為無(wú)滑移的固壁邊界條件。

2 三角翼數(shù)值模擬優(yōu)化研究方案

2.1 優(yōu)化研究的關(guān)鍵參數(shù)

擴(kuò)散段三角翼的幾何體型特征主要受如下參數(shù)控制：①分流度(α)，一般情況下該角應(yīng)設(shè)定為單側(cè)擴(kuò)散角的2倍，同時(shí)要保證與來(lái)流相適應(yīng)；②三角翼的潛沒度(h)，增大三角翼的高度有利于提高水流控制能力，但同時(shí)會(huì)增大水力損失，從而在三角翼的后部產(chǎn)生回流區(qū)；③三角翼的長(zhǎng)度，也就是控導(dǎo)度(η)，該參數(shù)主要影響三角翼的控導(dǎo)范圍，可以對(duì)擴(kuò)散段的水流流態(tài)以及水流動(dòng)量的調(diào)整強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響；④三角翼的攻角，也就是攻流度(θ)，也就是三角翼的翼弦與擴(kuò)散段來(lái)流之間的夾角，其大小可以對(duì)匹流和控導(dǎo)效果產(chǎn)生直接影響。此外，三角翼的豐滿度(b)、回流度(φ)以及位置度(λ)也是影響三角翼幾何體型的重要因素。

2.2 模擬研究方案設(shè)計(jì)

目前，水利工程研究中三角翼的體型參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬方案并不明確，因此，本次研究基于上節(jié)提出的主要控制參數(shù)，探索三角翼體型優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方案，為研究的順利進(jìn)行打下良好基礎(chǔ)。在工程研究中，控制變量法是針對(duì)多因素問題的有效研究方法，理論上，我們可以通過(guò)上述方法尋求每個(gè)三角翼控制參數(shù)的最優(yōu)值，并最終確定出三角翼體型設(shè)計(jì)的最佳方案。在具體的研究方案設(shè)計(jì)中，結(jié)合相關(guān)演技成果與方便后期結(jié)果分析的考慮，僅對(duì)控導(dǎo)度、攻流度2個(gè)無(wú)量綱控制變量進(jìn)行優(yōu)化研究，研究方案見表1。

表1 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 攻流度模擬計(jì)算結(jié)果

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對(duì)不同攻流度條件下的溢洪道擴(kuò)散段流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果顯示：利用a型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí)，水流的流態(tài)和整體分布比無(wú)控導(dǎo)條件下表現(xiàn)更為穩(wěn)定，回流區(qū)長(zhǎng)度明顯減小，強(qiáng)度也有所降低。但是在邊壁的部分區(qū)域產(chǎn)生一定的邊界層分離現(xiàn)象，兩側(cè)均出現(xiàn)了范圍較大的不對(duì)稱型漩渦，主流位置存在一定程度的偏移，流速的不均勻性仍舊較大；在利用b型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí)，水流的流態(tài)和整體分布與a型基本相同，但是兩側(cè)漩渦的范圍區(qū)強(qiáng)度有所增加且中心有向下推移的趨勢(shì)，下游主流受兩側(cè)剪切擠壓，擺動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象比較明顯；在利用b型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí)，兩側(cè)邊壁部位的動(dòng)量明顯增加，邊界層分離不復(fù)存在，下游主流偏移現(xiàn)象消失，但是在翼后方存在范圍不大的回流區(qū)，使單寬動(dòng)量不均勻度增大，影響范圍也顯著增加，呈現(xiàn)出矯枉過(guò)正的情況。

為了對(duì)擴(kuò)散段三角翼控導(dǎo)效果進(jìn)行定量分析，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果繪制出不同計(jì)算工況下的各個(gè)計(jì)算斷面的水流單寬動(dòng)量不均勻度變化曲線，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，b型三角翼的控導(dǎo)效果最優(yōu)，因此，就本次研究的某水庫(kù)溢洪道擴(kuò)散段而言，攻流度的優(yōu)化取值為0.75，也就是取67.5°的攻流角。

圖2 不同攻流度斷面單寬動(dòng)量不均勻度

3.2 控導(dǎo)度模擬計(jì)算結(jié)果分析

利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對(duì)不同控導(dǎo)度條件下的溢洪道擴(kuò)散段流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果顯示：利用d型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí)，擴(kuò)散段邊壁位置不存在明顯的邊界分離，主流也不存在偏移現(xiàn)象。但是，在三角翼的后方存在一定范圍的匯流區(qū)，水流流速呈現(xiàn)出兩側(cè)大中間小的特征，由于兩側(cè)水流速度較大，造成左右激蕩作用明顯；利用e型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí)，在溢洪道擴(kuò)散段的左側(cè)存在呈條帶狀分布的回流區(qū)，并且隨著三角翼長(zhǎng)度的增加，在三角翼的后部和右側(cè)出現(xiàn)了一定范圍的弱流區(qū)，在一定程度上降低了擴(kuò)散段的過(guò)流能力。

為了對(duì)擴(kuò)散段三角翼控導(dǎo)效果進(jìn)行定量分析，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果繪制出b、d、e型工況下各個(gè)計(jì)算斷面的水流單寬動(dòng)量不均勻度變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，d型三角翼的控導(dǎo)效果最優(yōu)，因此，就本次研究的某水庫(kù)溢洪道擴(kuò)散段而言，控導(dǎo)度的最優(yōu)取值為0.4，也就是三角翼的長(zhǎng)度為4.0m。

圖3 不同控導(dǎo)度斷面單寬動(dòng)量不均勻度

4 結(jié)論

本次研究以某水庫(kù)溢洪道擴(kuò)散段為工程背景，利用CFD和FLUENT軟件對(duì)大擴(kuò)散角條件下的三角翼優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)論對(duì)推動(dòng)大擴(kuò)散角過(guò)渡段水流調(diào)整以及邊界層控制流域的理論完善，促進(jìn)復(fù)雜邊界條件下的輸水工程設(shè)計(jì)具有重要理論意義和實(shí)踐價(jià)值。但是，由于三角翼輪廓和造型的復(fù)雜性，使數(shù)值模型研究中的網(wǎng)格剖分仍存在一些問題。例如混合網(wǎng)格剖分雖然可以較好體現(xiàn)計(jì)算域的完整性，但是會(huì)造成交界面網(wǎng)格質(zhì)量的降低。今后研究中需要探尋更好的網(wǎng)格剖分方式，避免網(wǎng)格剖分質(zhì)量帶來(lái)較大的計(jì)算誤差。