基于FLOW-3D軟件的滁州城西水庫北溢洪道復雜消能工數值模擬

王登贇

（上海市政工程設計研究總院（集團）第六設計院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

消能工是消除泄水建筑物或落差建筑物下泄急流的多余動能，防止或減輕水流對水工建筑物及其下游河渠等的沖刷破壞而修建的工程設施，常規的消能設施有挑流消能、底流消能等。在消力池內設置消能墩或齒墩等輔助消能工，可以有效減短消力池池長和池深。

鑒于上述情況，若將底流消能改建成底流消能+消能墩聯合消能，在墩后形成渦流，加強水躍中的紊流擴散，可對提高消能效率起到十分積極的作用，在經濟上也十分有利。

1 北溢洪道工程概況

城西水庫工程于1958年動工興建，1965年基本建成投入運行，2010年再次進行除險加固，現已竣工，集水面積168 km2，總庫容為7112萬m3，按100年一遇洪水設計，5000年一遇洪水校核。城西水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、灌溉涵洞、非常溢洪道等建筑物組成。城西水庫北溢洪道為10孔帶閘門控制的泄洪閘，每孔凈寬7.0 m，下游設置有二級消力池，二級消力池為底流消能+消能墩聯合消能。池中設有中墩，兩道八字型分流墩，分流墩與水流方向呈42°30′夾角，墩長13.2 m，墩高3.0 m。消力池中墩寬1.67 m，間距1.67 m，高2.2 m，頂寬0.4 m，坡比1∶1，尾坎為圓弧狀，半徑R=50 m，尾坎高度中間為2 m，漸變到兩岸為1.5 m，尾坎頂寬0.4 m，坡比1∶0.5。

FLOW-3D軟件采用RNGk-ε三維水流數學模型、VOF方法和單相流體模擬消能池水流流動,應用GMRES方法求解離散方程，能夠計算消能工況水流條件下消能池的三維水流情況。因此采用FLOW-3D三維數值模擬進行復核消力池結構尺寸。

2 模型建立及網格劃分

本次數值模擬選擇N-S方程，建立溢流壩及概化河道地形三維水流RNG、k-ε紊流數學模型，其中重要的基本方程包括連續方程、動量方程、紊動能k方程、紊動能消耗率ε方程。

FlOW-3D軟件對自由表面追蹤采樣VOF數值法，該方法不僅克服了MACC方法的計算機所需運算內存較大和計算時間步長較長的缺點，同時也是解決流體力學水流流動的復雜問題。對于區域單元網格，F=0代表該單元是個空單元無流體；F=0～1代表該單元被流體不完全充滿；F=1代表該單元被流體完全充滿[1]。

按原型1∶1建立幾何實體模型，模型范圍從二級跌水進口至消力池出口。建立模型時分別考慮消力池末端橋墩施工前后兩種情況，建立對照模型。計算區域采用自由網格法，兩個模型劃分網格方式與參數相同，全部用結構化正交網格來劃分。為提高計算效率、節約計算時間，本次研究采用分級劃分網格，對水流不會通過的區域不劃分或少劃分網格（少劃分網格是為了保障各級網格間有效銜接），以網格單元總數控制劃分精度，網格總數約為270000[2～3]，模型及網格劃分示意圖見圖1、圖2。

圖1 模型示意圖

圖2 網格劃分示意圖

3 邊界條件、初始條件和計算工況

邊界條件:計算區域上方為對稱邊界；上游為水位、流量邊界；下游為消力池末端水位；壁面采用無滑移邊界條件。

初始條件:堰體兩側設定初始水體范圍，并且給定初始水位，水面水平，壓力為靜水壓。

計算工況分為30年一遇，其中30年一遇最大下泄流量200 m3/s情況下，上游水位19.79 m，下游消力池水位10.6 m。

4 計算參數設定

（1）通用設置

設置模型計算時的計算時間、流體種類、單位、計算控制條件等選項。該設置對全局有效，并影響建模時其他參數的設置。針對本次研究，計算時間設置為100.0 s，選擇不可壓縮、單一流體，國際單位制，以時間作為計算結束控制條件。

（2）物理模型設置

該菜單下包含各種物理參數、物理方程的選擇與設置。針對本次研究，設置Z軸重力加速度為-9.81 m/s2（FLOW-3D以豎直向上為Z軸正方向），選擇牛頓流體黏性方程，并選擇考慮摩阻。

（3）流體選定

選擇國際單位制下20℃水體（水體的相關參數均為此條件下的數值，如黏滯度0.001，密度1000 kg/m3等）。

5 水流流態和流速

在流量為200 m3/s、下游水位為10.76 m的情況下，當流動基本穩定、躍后流速和水深變化很小時停止計算。上游水位分布較為均勻，水流通過泄槽末端后水位急劇變化，在消能池內部擴散摻混；水流在消力池中發生淹沒式水躍，水流回流漩滾劇烈，水流內部產生摩擦和摻混作用，水流經過消能池后水面恢復平整。水流出泄槽后，在一級消能池內形成水躍三維效果圖及水壓力分布圖見圖3、圖4。躍首水流流速為4.8 m/s，Fr=1.82＞1.7，形成完全水躍，流態為急流；消力池坎頂水流流速為3.2 m/s，Fr=0.95＜1.7，水流均勻擴散，水流平穩。

圖3 三維效果圖

圖4 水壓力分布圖

6 消力池尺寸復核及成果分析

根據數值模擬，求得躍前、躍后水深h1、h2。為了分析比較有無消能墩對消力池尺寸影響，根據《溢洪道設計規范》（SL 253-2018）附錄A.6底流消能計算公式，計算消力池高度、池長等[4]。

計算公式如下:

式中:d為池深，m；σ為水躍淹沒度，取1.05；h2為池中發生臨界水躍時的躍后水深，m；ht為消力池出口下游水深，m；b為消力池寬度，m。

表1 消能防沖計算成果表 單位：m

根據計算成果，由于受消能墩迎拒水流，對水流的作用產生反作用力，設有消能墩的消力池躍前流速明顯小于無消能墩情況。

消力池長26.0 m，消力坎高度1.5 m～2.0 m。根據現狀消能防沖計算成果，消力池能滿足能消能防沖要求。

7 結語

（1）根據北溢洪道二級消力池計算成果，水流在消力池能形成完整水躍，池后水流流速也較小，對下游的沖刷作用也較弱，但是入池和躍首部位的流速相對較大，應注意加強結構強度和抗蝕防護。

（2）應用FLOW-3D軟件對消力池水流進行數值模擬，可以直觀觀察水流運動規律，分析水流流速、水壓力分布等，解決復雜消能工的計算問題，快速優化消力池結構尺寸。

（3）消能墩的消能效果與它的型式、尺寸、布置以及泄流情況、下游水深等有直接關系（如池內水深較深，墩的作用將減小），FLOW-3D軟件可以快速優化調整結構尺寸，快速實現求解。對于小型堰閘，也可參照已建工程的試驗成果和運用經驗確定。

（4）在底流消力池中設置墩、坎等輔助消能工，加強紊動擴撒，提高消能效率，從而使共軛水深有所降低，消力池的長度有所縮短，有時還可以使水躍的流態穩定，但必須注意避免遭受高速水流的空蝕、磨損破壞作用，確保消能工的長期安全運行。對于漂浮物的河道或水庫，同時對于水流流速大于16 m/s，輔助消能工常遭撞擊破壞，不宜設置。