基于Flow-3D的消力池內(nèi)消力坎設(shè)置的必要性與高度優(yōu)化研究

齊 坤

（遼寧觀音閣水力發(fā)電有限責(zé)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(guī)劃建設(shè)的重要小水電工程，同時(shí)也是愛河梯級(jí)開發(fā)的重要工程，壩址位于遼寧鳳城石城鎮(zhèn)境內(nèi)的愛河上游。趙家堡子電站屬于一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等綜合水利工程。電站為徑流式電站設(shè)計(jì)，裝機(jī)總?cè)萘繛?6800 kW，設(shè)計(jì)庫(kù)容1550萬(wàn)m3，工程等別為Ⅲ等，主要水工建筑物級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇。水電站工程主要由大壩、引水系統(tǒng)和電站廠房構(gòu)成[1]。電站大壩為混凝土閘式溢流壩設(shè)計(jì)，壩頂高程241 m，最大壩高24 m。大壩由12個(gè)壩段構(gòu)成，從左向右分別為非溢流壩段、5孔泄洪閘壩段、左導(dǎo)墻壩段、主機(jī)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(gè)圓弧曲線組合，半徑8.5 m，墩尾為齊尾型設(shè)計(jì)。邊墩的墩頭為圓弧曲線，半徑為8.5 m。泄洪閘壩段下游設(shè)計(jì)為底流消能，消力池長(zhǎng)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(shè)計(jì)在不同重現(xiàn)期洪水條件下，上下游水位的變動(dòng)幅度較大，因此消力池的設(shè)計(jì)存在一定難度[2]。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的建立

研究中選擇商用CFD流體分析軟件Flow-3D進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建[3]。首先，以工程設(shè)計(jì)資料為依據(jù)，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(zhǎng)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(duì)構(gòu)建的幾何模型利用尺寸為0.9 m×0.9 m×0.9 m的正交網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算單元?jiǎng)澐郑谙Τ氐南膊课皇褂贸邽?.5 m×0.5 m×0.5 m的網(wǎng)格進(jìn)行加密[5]。最終，模型劃分為3102580個(gè)計(jì)算單元，3544238個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。定義泄洪閘閘室的進(jìn)口斷面、邊墩以及地板平面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以指向下游的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直與X軸指向右岸的方向?yàn)閅軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向。

圖1 幾何模型與網(wǎng)格剖分示意圖

2.2 邊界條件

模型的流體的體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為0，上游采用流量邊界條件，水位高度設(shè)定為237.2 m，下游為壓力出口條件，水位高度設(shè)定為225.5 m，模型的壁面條件設(shè)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(cè)均設(shè)定為壁面條件，為了縮短計(jì)算時(shí)間，在計(jì)算的初始時(shí)刻分別在模型的上下游設(shè)置一塊水體[6]。計(jì)算過程中的壓力求解器選擇GMRES算法，計(jì)算結(jié)果輸出的時(shí)間間隔設(shè)定為2 s，初始時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.0001 s，模型輸出的數(shù)據(jù)主要有流速、壓力、水面高程以及水體的體積分?jǐn)?shù)等。

2.3 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

為分析消力池內(nèi)的消力坎高度對(duì)水流的影響，并由此獲得最佳消力坎高度，結(jié)合工程設(shè)計(jì)的實(shí)際特點(diǎn)和要求以及相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[7]，在閘室的中間壩壩下0+84 m部位設(shè)置不同高度的直墻式消力坎，坎頂?shù)母叱谭謩e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(shè)置1∶1的斜坡。為了進(jìn)一步獲取消力坎的作用，將不設(shè)消力坎設(shè)計(jì)作為對(duì)比工況。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 中孔剖面流態(tài)

利用上節(jié)構(gòu)建的數(shù)值模型，對(duì)不同消力坎高度下的中孔剖面流態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，在沒有設(shè)置消力坎的對(duì)比方案下，下泄水流產(chǎn)生水躍，位置位于消力池的中后部位。在設(shè)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(chǎn)生兩次水躍，消力坎作用下的強(qiáng)迫水躍可以顯著增加下泄水流的能量消耗，說明設(shè)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(jìn)入閘室，容易造成閘室振動(dòng)，不利于工程的安全穩(wěn)定；方案2條件下為微淹沒水躍且沒有進(jìn)入閘室，產(chǎn)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(chǎn)生的是遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。由此可見，方案2條件下的流態(tài)最為平穩(wěn)。

3.2 消力池平面流速

利用上節(jié)構(gòu)建的模型對(duì)消力池底板部位的流速進(jìn)行模擬計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)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(jìn)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(chǎn)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(chǎn)生的水舌在接觸消力池底板之后向四周擴(kuò)散，產(chǎn)生橫軸漩渦。在對(duì)比方案下，由于沒有設(shè)置消力坎，因此消力池內(nèi)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(gè)消力池內(nèi)的流速明顯偏大，這也說明了設(shè)置消力坎的必要性和有效性，同時(shí)消力坎的高度越高，水流的紊動(dòng)現(xiàn)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(duì)比方案底板流速分布圖

3.3 水流湍流耗散率

利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型對(duì)三種計(jì)算方案和對(duì)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(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖6～圖9。由圖中的計(jì)算結(jié)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(chǎn)生十分劇烈的紊動(dòng)現(xiàn)象，在向兩側(cè)翻滾和混摻的過程中形成漩渦，具有較大的能量耗散率，對(duì)消力池的消能作用發(fā)揮十分有利。在對(duì)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(xiàn)出均勻消耗和整體性紊動(dòng)的狀態(tài)，對(duì)下游明顯不利。因此，設(shè)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(dòng)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(duì)比方案能量耗散率

3.4 弗勞德數(shù)與消能率

利用模擬結(jié)果對(duì)不同計(jì)算工況下的弗勞德數(shù)與消能率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。由表1的結(jié)果可知，消能率會(huì)隨著消力坎高度的增加而增加。對(duì)下瀉水流的自由水躍而言，一般弗勞德數(shù)越大，消能效率越高。從計(jì)算結(jié)果來看，弗勞德數(shù)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(huì)加大對(duì)水流的阻礙作用，而主流和回流的碰撞作用明顯增強(qiáng)，同時(shí)，尾坎部位的二次水躍也會(huì)進(jìn)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(duì)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(shù)和效能率計(jì)算結(jié)果

3.5 消力池出口斷面流速

利用模型的模擬計(jì)算結(jié)果，繪制出圖10所示的消力池出口斷面流速與水深關(guān)系圖。由圖9可知，設(shè)置消力坎對(duì)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(jié)果對(duì)比來看，方案2和方案3明顯優(yōu)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(fā)表層水流波動(dòng)，不利于下游邊壁的安全穩(wěn)定。因此，方案2為最優(yōu)方案。

圖10 消力池出口相對(duì)流速分布曲線

4 結(jié)論

以遼寧省趙家堡子水電站為例，利用數(shù)值模擬的方法研究泄洪閘下消力池內(nèi)設(shè)置消力坎的必要性，并進(jìn)行了消力坎高度的優(yōu)化，獲得的主要結(jié)論如下：

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

（2）從不同消力坎高度設(shè)計(jì)方案的流態(tài)、消能率、出口斷面流速以及工程造價(jià)等多種因素的綜合考慮，方案2具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，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。