導流洞進口殘埂對過流能力的影響數(shù)值模擬研究

胡海松

(1.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，合肥 230000; 2.水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，在水利工程中采取的各類截流措施以及施工方法，都在保證施工可行的基礎上增加經(jīng)濟效益。對于前期施工所修建的施工導流圍堰殘埂一般都是拆除，但是隨著施工過程蓄水及施工結(jié)束一部分圍堰殘埂已經(jīng)被水體覆蓋，進行水下拆除技術(shù)復雜。一些學者通過對導流洞截流殘埂的拆除對截流施工的影響，發(fā)現(xiàn)對于正在截流施工的水位有一定影響，導流洞進口圍堰殘埂在一定程度上增加了截流難度且對過流能力的影響較大[1-4]。為此，本文通過建立數(shù)學模擬研究導流洞進口圍堰殘埂高度對過流能力的影響，為類似的工程修建及研究提供理論指導及基礎。

2 工程概況

某工程主要建筑物為混凝土重力壩，左岸為底下引水發(fā)電系統(tǒng)組成的1等小(Ⅰ)型工程，該工程采用河床截流和右岸設計導流洞進行施工導流，導流隧洞長度約1 500 m，進口最低高程為1 400 m，最高高程為1 450 m，上游圍堰為左窄右寬，圍堰的上游邊坡比為1∶1，導流洞為方圓型斷面，斷面尺寸長為15 m，寬為20 m，頂拱中心角為120°。見圖1。

圖1 導流隧洞平面布置

3 數(shù)學模型建立及驗證

3.1 控制方程

為研究復雜水流交匯和波動情況，本文控制方程選擇N-S方程為紊流模型，湍流模型的理論基礎是脈動方程和雷諾平均運動方程，其提供了一整套模型模型假設理論與經(jīng)驗相結(jié)合的方法，從而建立起一組封閉方程組，這個方程組可以用來描寫湍流平均量。控制方程可表示如下：

式中：u，v，w分別為相應坐標系XYZ軸的3個方向的速度；Ax，Ay，Az分別為相應坐標系XYZ軸3個方向可流動流體的面積分數(shù)大小;VF為可流動流體的體積分數(shù)；ρ為該流體密度；Gx，Gy，Gz分別為流體在相應坐標系XYZ軸3個方向的重力加速度；fx，fy，fz分別為相應應坐標系XYZ軸3個方向的黏滯力[5]。

3.2 自由表面追蹤方法

在水利工程研究領域?qū)λ髯杂杀砻娴淖粉櫴菑碗s過程，而對自由表面流體的模擬也是能否精確模擬水流的關鍵技術(shù)。由于VOF對水流自由表面的模擬具有間短、精確度高等優(yōu)點，因此本模型選擇VOF方法對自由表面位置追蹤進行鎖定。VOF方法在處理水流交匯和波動自由液面的等現(xiàn)象具有較高的準確度，并且所需計算機的運行內(nèi)存要求不高。在F函數(shù)中，對于F=1，表示計算模型的單元網(wǎng)格充滿流體；對于F=0，表示計算模型的單元網(wǎng)格不存在流體；對于F屬于0～1，表示計算模型的單元網(wǎng)格內(nèi)被流體部分充滿，即存在自由表面液體[5]。

3.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設置

整個計算模型坐標以導流洞進口水流方向為X正方向，垂直X方向上為Y方向，高度方向為Z方向。由于整個模型的計算流域較大，在本文主要研究部位進行加密處理，因此需要對模型進行分塊處理。本模型共分為3個網(wǎng)格塊，第一段為導流洞進口直線段范圍為x：0～400 m，y：50～150 m，z：0～50 m；第二段網(wǎng)格塊為導流洞折線段范圍為x：400～700 m，y：1 000～500 m，z：0～50 m。第三段網(wǎng)格塊為導流洞出口和下游圍堰段范圍為x：700～900 m，y：500～1 000 m，z：0～50 m。模型整體采用結(jié)構(gòu)化均勻網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約500萬。

本模型邊界條件上游設置體積流量邊界，模型上方設置為大氣邊界，模型的下游出口設置為壓力邊界，模型的其他部位設置為固壁邊界。

3.4 數(shù)值模型驗證

本文主要把截流合攏時的上游流量800 m3/s作為本文計算的流量條件，為驗證建立的數(shù)值模型對本文導流洞進口殘埂對過流能力影響的數(shù)值模擬研究，現(xiàn)對導流洞上游來流量Q=800 m3/s且對應下游尾水位為250 m進行數(shù)值計算，將模擬計算的數(shù)值與模型試驗結(jié)果進行對比分析。表1為導流洞無殘埂時泄流時進口水位和進口平均流速的數(shù)值計算與模型試驗結(jié)果的比較。

表1 計算值與模型試驗

由表1可知，模型計算的泄流能力比模型試驗值稍小，導流洞進口水位高度相差很小，誤差僅1.3%，對于導流洞進口平均流速相差也相對較小，誤差僅為2.4%，數(shù)值模擬計算值與試驗值基本吻合，因此所建立的數(shù)學模型可以研究本文的內(nèi)容。

4 導流洞進口殘埂對過流能力的影響

為研究進口圍堰殘埂對導流洞過流能力影響，本文主要建立3種不同高度的導流洞進口圍堰殘埂模型進行數(shù)值模擬分析，高度分別為H=1，3，5 m。

4.1 水 位

導流對水位要求極高，水位波動和較高都將影響導流洞的過流能力。為此，本文在上游來水流量為800 m3/s情況下，對導流洞圍堰殘埂對導流洞進口水位的影響進行橫縱向研究。見表2。

表2 進口殘埂圍堰對導流洞水位影響比較

由表2可知，導流洞進口水位隨著進口殘埂高度的增加而增加，隨1～3 m水位差值增加的幅度較小，相比3～5 m水位差值增加幅度較大，由此可知導流洞進口殘埂對導流洞進口水位有一定的影響，并且隨著殘埂的高度增加差值也越大。

4.2 流 速

導流洞的進口流速是影響導流效果的關鍵參數(shù)，為研究導流洞上游圍堰殘埂對導流洞進口流速的影響，本文針對3種圍堰殘埂高度的導流洞進口流速進行數(shù)值模擬，具體見圖2。

圖2為導流洞進口1，3，5 m高度圍堰殘埂縱剖面流速圖。由圖2可知，在導流洞進口殘埂圍堰為1 m時，殘埂表面最大流速為6 m/s；在導流洞進口殘埂圍堰為3 m時，殘埂表面最大流速為7 m/s；在導流洞進口圍堰殘埂為5 m時，殘埂表面最大流速為9 m/s。3種情況下的其他部位流速在2.0～7.0 m/s范圍波動，相差不大。

圖2 導流洞進口殘埂縱剖面流速等值線

5 結(jié) 論

1) 通過數(shù)學模型的計算與物理模型試驗可知，F(xiàn)low-3d軟件在模擬復雜的水流變化具有較高的準確性和高效性，尤其是在方案設計和優(yōu)選方面經(jīng)濟可靠。

2) 導流洞進口圍堰殘埂對導流洞的過流能力有一定的影響，隨著導流洞進口殘埂圍堰高度的增加，相對進口水位就越高，水位越高也進一步降低過流的能力。相對導流洞進口圍堰殘埂的高度對導流洞進口的流速影響較大，隨著進口圍殘埂的高度增加，進口流速也隨之增加，尤其是在圍堰殘埂處值為9 m/s。

3) 對于水利工程的導流洞修建后，相對導流洞進口圍堰殘埂對導流洞的進口流速和水位有一定的影響，建議在下游截流時拆除以保證導流洞進口流速和水位相對穩(wěn)定。