基于Flow-3D的消力池內消力坎設置的必要性與高度優化研究

齊 坤

（遼寧觀音閣水力發電有限責任公司，遼寧 本溪 117100）

1 工程概況

趙家堡子水電站屬于遼寧省規劃建設的重要小水電工程，同時也是愛河梯級開發的重要工程，壩址位于遼寧鳳城石城鎮境內的愛河上游。趙家堡子電站屬于一座以發電為主，兼具防洪和養殖等綜合水利工程。電站為徑流式電站設計，裝機總容量為16800 kW，設計庫容1550萬m3，工程等別為Ⅲ等，主要水工建筑物級別為3級，設計洪水標準為百年一遇，校核洪水標準為千年一遇。水電站工程主要由大壩、引水系統和電站廠房構成[1]。電站大壩為混凝土閘式溢流壩設計，壩頂高程241 m，最大壩高24 m。大壩由12個壩段構成，從左向右分別為非溢流壩段、5孔泄洪閘壩段、左導墻壩段、主機間壩段以及安裝間壩段。其中，5孔泄洪閘壩段中墩墩頭采用兩個圓弧曲線組合，半徑8.5 m，墩尾為齊尾型設計。邊墩的墩頭為圓弧曲線，半徑為8.5 m。泄洪閘壩段下游設計為底流消能，消力池長100 m，寬90 m，消力池底板高程227.50 m，底板厚度為3.5 m。由于閘壩設計在不同重現期洪水條件下，上下游水位的變動幅度較大，因此消力池的設計存在一定難度[2]。

2 數值計算模型

2.1 計算模型的建立

研究中選擇商用CFD流體分析軟件Flow-3D進行計算模型的構建[3]。首先，以工程設計資料為依據，利用AUTO CAD軟件建立1∶1三維幾何模型，建模的范圍為泄洪閘上游30 m至消力池出口下游100 m，涵蓋了泄洪閘閘室、消力池以及消力池下游部分河道[4]，幾何模型的總長度為310 m。泄洪閘的單孔寬度為14 m，閘墩寬度為5.0 m，因此幾何模型的寬度為90 m。對構建的幾何模型利用尺寸為0.9 m×0.9 m×0.9 m的正交網格進行計算單元劃分，在消力池的消力坎部位使用尺為0.5 m×0.5 m×0.5 m的網格進行加密[5]。最終，模型劃分為3102580個計算單元，3544238個計算節點。定義泄洪閘閘室的進口斷面、邊墩以及地板平面的交點為坐標原點，以指向下游的方向為X軸正方向，以豎直與X軸指向右岸的方向為Y軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。

圖1 幾何模型與網格剖分示意圖

2.2 邊界條件

模型的流體的體積分數設定為0，上游采用流量邊界條件，水位高度設定為237.2 m，下游為壓力出口條件，水位高度設定為225.5 m，模型的壁面條件設定為無滑移邊界條件；模型的頂部為壓力邊界條件，模型的底部和兩側均設定為壁面條件，為了縮短計算時間，在計算的初始時刻分別在模型的上下游設置一塊水體[6]。計算過程中的壓力求解器選擇GMRES算法，計算結果輸出的時間間隔設定為2 s，初始時間步長設定為0.0001 s，模型輸出的數據主要有流速、壓力、水面高程以及水體的體積分數等。

2.3 計算工況設計

為分析消力池內的消力坎高度對水流的影響，并由此獲得最佳消力坎高度，結合工程設計的實際特點和要求以及相關工程設計經驗[7]，在閘室的中間壩壩下0+84 m部位設置不同高度的直墻式消力坎，坎頂的高程分別為230.5 m（方案1）、231.5 m（方案 2）和 232.5 m（方案 3）坎高分別為 3.5 m、4.5 m和5.5 m，消力坎為斜坡式布置，在消力坎后設置1∶1的斜坡。為了進一步獲取消力坎的作用，將不設消力坎設計作為對比工況。

3 計算結果與分析

3.1 中孔剖面流態

利用上節構建的數值模型，對不同消力坎高度下的中孔剖面流態進行模擬計算。由計算結果可知，在沒有設置消力坎的對比方案下，下泄水流產生水躍，位置位于消力池的中后部位。在設置消力坎的條件下，由于消力坎的阻擋作用，下泄水流在消力坎和尾坎部位產生兩次水躍，消力坎作用下的強迫水躍可以顯著增加下泄水流的能量消耗，說明設置消力坎是極為必要的。具體來看，方案3條件下泄洪閘出口部位水位即開始雍高，首次水躍為淹沒式水躍并進入閘室，容易造成閘室振動，不利于工程的安全穩定；方案2條件下為微淹沒水躍且沒有進入閘室，產生的部位距離閘室17 m左右；在方案1條件下，水流受到消力坎的阻擋作用較弱，因此產生的是遠驅式水躍。由此可見，方案2條件下的流態最為平穩。

3.2 消力池平面流速

利用上節構建的模型對消力池底板部位的流速進行模擬計算，并根據計算結果繪制出圖2～圖5的消力池底板流速分布圖。由圖可知，在方案1～方案3條件下，泄水水流進入消力池后，沿著消力池的底板潛行，在消力坎的阻擋作用下產生縱向回流，隨著消力坎高度的不斷增加，回流和主流之間的沖撞作用愈加明顯，在消力坎的下游部位，水躍產生的水舌在接觸消力池底板之后向四周擴散，產生橫軸漩渦。在對比方案下，由于沒有設置消力坎，因此消力池內沒有縱向回流，并在尾坎部位躍起，由于水流沒有較多的能量消耗，整個消力池內的流速明顯偏大，這也說明了設置消力坎的必要性和有效性，同時消力坎的高度越高，水流的紊動現象越明顯，而消力池出口的流速也越小。

圖2 方案1底板流速分布圖

圖3 方案2底板流速分布圖

圖4 方案3底板流速分布圖

圖5 對比方案底板流速分布圖

3.3 水流湍流耗散率

利用構建的數值計算模型對三種計算方案和對比方案條件下的消力池底板部位的水流湍流能量耗散率進行計算，結果見圖6～圖9。由圖中的計算結果可知，下瀉水流在遇到消力坎之后，受到阻擋作用的影響，在消力坎后產生十分劇烈的紊動現象，在向兩側翻滾和混摻的過程中形成漩渦，具有較大的能量耗散率，對消力池的消能作用發揮十分有利。在對比方案中，消力池中的水流速度較快且比較均勻，因此水流的能量也呈現出均勻消耗和整體性紊動的狀態，對下游明顯不利。因此，設置消力坎可以將水流的大部分能量消耗在消力坎部位，有助于消力池后段和池下游水流紊動性的減小。

圖6 方案1能量耗散率

圖7 方案2能量耗散率

圖8 方案3能量耗散率

圖9 對比方案能量耗散率

3.4 弗勞德數與消能率

利用模擬結果對不同計算工況下的弗勞德數與消能率進行計算，結果見表1。由表1的結果可知，消能率會隨著消力坎高度的增加而增加。對下瀉水流的自由水躍而言，一般弗勞德數越大，消能效率越高。從計算結果來看，弗勞德數隨著消力坎高度的增加而減小，但是消能率并沒有下降。究其原因，主要是消力坎高的增加會加大對水流的阻礙作用，而主流和回流的碰撞作用明顯增強，同時，尾坎部位的二次水躍也會進一步消除水流的余能，因此總消能率并沒有因之降低[8]。從不同方案的對比來看，方案2和方案3的效能率明顯大于方案1，但是方案3相較于方案1，消能率的提升并不明顯。

表1 不同方案的弗勞德數和效能率計算結果

3.5 消力池出口斷面流速

利用模型的模擬計算結果，繪制出圖10所示的消力池出口斷面流速與水深關系圖。由圖9可知，設置消力坎對降低消力池出口流速具有十分顯著的作用。從不同消力坎高度方案的結果對比來看，方案2和方案3明顯優于方案1，平均流速明顯偏小。但是，方案3的表層和底層流速差距較大，容易誘發表層水流波動，不利于下游邊壁的安全穩定。因此，方案2為最優方案。

圖10 消力池出口相對流速分布曲線

4 結論

以遼寧省趙家堡子水電站為例，利用數值模擬的方法研究泄洪閘下消力池內設置消力坎的必要性，并進行了消力坎高度的優化，獲得的主要結論如下：

（1）從數值模擬獲得的流態、流速、能量耗散率以及消能率等水力學參數來看，在消力池中設置消力坎有助于有助于控制水流紊動、降低消力池出口流速并提高消能率，因此具有設置的必要性。

（2）從不同消力坎高度設計方案的流態、消能率、出口斷面流速以及工程造價等多種因素的綜合考慮，方案2具有比較明顯的優勢，因此本工程選擇方案2，也就是高度為4.5 m的消力坎最為合適。