基于ANSYS-Fluent 的沉沙池改進設計下三維流場分析研究

魯 洪

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 概述

沉沙池乃是水利樞紐工程中重要排沙、沖沙的水利設施[1-2］，其運營可靠性對水利樞紐水沙演變、泥沙淤積等均有影響，而沉砂池內由于水沙演變關系，池內滲流場特征受結構設計影響顯著[3-4］，因而研究沉砂池的設計方案，對推動沉砂池流場穩定性與沉沙運營可靠性兼具價值。呂會嬌等[5］、職承杰等[6］基于水工模型復制比例理論，設計了沉砂池、消能池等水工結構模型，開展了相應的滲流試驗，分析了池內滲流場特征，評價水工結構設計參數下體型優化。高興輝[7］、劉許超等[8］采用數值計算方法，對沉沙池、閘門等水工結構的靜、動力特性開展計算分析，探究不同運營工況荷載下水工結構應力、位移變化特征，豐富了水工結構設計優化研究成果。對于水工結構三維流場計算問題，范海東等[9］、郭鑫等[10］采用Flow 3D、Fluent 等計算手段開展了消能池、溢洪道及沉沙池滲流特征分析，探討了三維流場內流速、水面線等特征參數影響特性。本文為研究桂北水利樞紐沉沙池結構翼片設計優化問題，采用ANSYS-Fluent 開展沉沙池斜板翼片設計改進，從水力特征角度遴選最優方案。

2 工程建模分析

2.1 工程概況

北江上游桂北地區水資源豐富，計劃分期建設一水電站樞紐工程，一期規劃投入運營工程包括有發電廠房、防洪主壩及沉沙池與沖沙閘等排沙設施。由于上游北江、珠江等支流流域內人口活動，溢洪道、發電引水口等區段泥沙懸浮、沉降較多，水位受泥沙影響，削弱水利工程運營效率，因而工程管理部門計劃在一期工程中建設沖沙閘與沉沙池。沉沙池設計剖面見圖1，包括有引水渠、擴散段及池內沉沙段及下游泄流通道，沖沙閘建設在沉沙池尾端。該沉沙池整體高程分布為345.822 m～346.968 m，池內坡度為1／100，全長為12 m，擴散段寬度為7 m。在確保沉沙主池運營安全可靠的前提下，計劃對該沉沙池進行設計改進，提升其沉沙效率與泄流期安全綜合穩定性，采用斜板沉砂池作為結構設計體型，池內配置有斜板構件，覆蓋有翼片等擋流結構，設計長度為0.3 m～0.45 m，斜板與翼片為平行相貼合布置，水平夾角為60°，結構設計概化見圖2。為確保該斜板沉砂池改進后不影響池內滲流場穩定性，考慮以沉砂池斜板翼片高度H 為研究對象，探究其對沉沙池水力特性影響。

圖1 沉砂池總體設計剖面圖

圖2 沉砂池結構設計

2.2 設計模擬

為分析斜板式沉沙池翼片高度參數H 對池內滲流場及水力特性影響，對池內沉沙模型、泥沙懸浮運動狀態進行概化分析，圖3 為池內泥沙顆粒懸浮遷移運動演變概化示意。斜板式沉沙池運營期內上游引水明渠中水流進入擴散段后削弱水動力勢能，沉積一部分泥沙，而在擴散段其泥沙顆粒沿著斜板表面運動，顆粒碰撞的過程中沉積至斜板與翼片下方。沉沙池進、出水段分別設置為弧形觸水面，與水流方向分別呈95°、65°。

圖3 泥沙沉降概化圖

采用ANSYS 完成該斜板式沉沙池結構幾何建模，見圖4（a），由于斜板構件為沉沙池重要組成部分，因而獨立提取其幾何模型，見圖4（b）。幾何模型簡化了進、出水段，且省略尾端沖沙閘結構，重點分析流體運動下斜板翼片設計對池內滲流場影響。經ANSYS 幾何模型完善后，導入至CFD 計算Fluent 流場軟件中[4，9］，采用不規則四邊體為沉沙池網格劃分單元體，劃分后三維流場計算模型見圖5。該模型共有88274個微單元，75486 個節點，網格單元最小體積為6.3528×10-9m3，在圖4（b）所示的斜板構造處進行加密劃分，該部分區域網格覆蓋密度較之其他非加密區域增大了33.5%。模型中頂、底面分別氣液二相交流邊界與液相獨立邊界。本文模型中X～Z正向分別為出水渠方向、斜板傾斜向及水體豎直向下。

圖4 斜板式沉砂池模型

圖5 沉砂池三維計算模型

改進后沉沙池鋪設有間距為1 m 的翼片，其高度按照不超過池寬度的3／4 設定，池深寬度為8 m，因而本文設定翼片高度H 計算方案為1 m～6 m，各方案間階次為1 m，且設定有無翼片斜板式沉沙池方案，以翼片高度為0 m 指代。計算工況中初始泥沙含量輸入為1.5 kg／m3，流速為1.2 m／s。基于Fluent 計算不同設計方案下斜板式沉砂池滲流場特征，探討斜板上翼片設計參數的影響變化特性。

3 沉沙池水力特征影響

3.1 流速

由于斜板式沉沙池翼片高度設計參數差異，池內流速會有相應影響，圖6 為翼片高度不同方案下池內流速等值線與斷面變化特征。

從圖6（a）中可知，不論翼片高度為何值，流速等值線走向與水流方向均一致，且均以水面線流速最高，即翼片高度設計參數對流速等值分布影響較小。從池內流速等值線分布來看，翼片高度5 m、6 m 方案中池內中、下游等區段聚集有渦旋流等現象，高、低流速在該區域內發生水力動勢能的“碰撞”，極易引發池內水流的翻滾、擾動及漩渦等現象，不利于水體沖砂、排沙[11］，故從沉沙池運營考慮，翼片高度不應過大。

分析圖6（b）可知，斜板增設翼片方案下，其流速水平均高于無翼片方案，翼片高度1 m、4 m 方案下流速水平較之無翼片方案分別增長了38%～68.9%、1.75～3.3 倍，即增設翼片高度對沉沙池流速提升具有顯著效果。當改變翼片高度時，池內沿程斷面流速具有差異性，且翼片高度與池內流速水平為正相關關系，在池內斷面2.4 m 處翼片高度1 m 方案下流速值為0.03 m／s，而高度3 m、4 m、6 m 方案下流速較之分別增大了35.7%、65.4%、85.6%，表明增大翼片高度，沉沙池內流速可增大，對水體排沙、沖沙具有正面作用。在翼片高度1 m 方案下沿程斷面平均流速為0.025 m／s，而隨高度方案階次遞增1 m 時，沿程平均流速的增幅達18.4%，但增幅最大集中在翼片高度1 m～4 m 區間，該區間內平均流速的最大增幅為26.8%，平均增幅為22.3%，而在翼片高度超過4 m 方案平均增幅僅為9.8%，表明翼片高度設計參數對沉沙池斷面流速促進作用為減弱態勢。對比沿程流速變化可知，當翼片高度超過4 m 后，受限于局部漩渦流影響，其峰值流速斷面具有差異性，高度5 m、6 m 方案中峰值流速分別為0.066 m／s、0.074 m／s，位于斷面8.4 m 處，且在該斷面周圍具有流速波動性。高度1 m～4 m 方案內峰值流速分布為0.033 m／s～0.054 m／s，均為斷面3.6 m，沿程流速穩定性均較佳，從“上-中-下游”沿程斷面，流速為先增后減變化。綜合分析可知，翼片高度超過4 m 后，流速穩定性欠佳，且漩渦等非穩定滲流易引起流速波動段。

圖6 翼片高度影響下流速變化（圖（a）從下至上分別為高度0cm、2m、4m、5m、6m）

3.2 壓強

圖7 為斜板翼片高度設計參數影響下池內時均壓強變化特征。分析壓強變化可知，壓強水平最高為翼片高度4 m 方案，隨翼片高度增大，池內壓強為先增后減變化；對比沿程平均壓強也可知，無翼片方案中沿程平均壓強為6.6 kPa，而增設翼片后，高度1 m 方案下平均壓強為9.92 kPa，隨高度方案階次每增長1 m 下，在高度1 m～4 m 區間內沿程平均壓強的增幅為28.1%，而超過高度4 m 區間內平均壓強具有降幅17.3%。從壓強量值對比來看，應控制翼片高度在低于4 m，更有利于池內氣液固三相分布，限制泥沙顆粒運動，降低水體泥沙懸浮量[10］。

圖7 沉沙池沿程斷面壓強特征

池內沿程斷面上壓強均為遞增，以出渠口處壓強值最高，在高度1 m～4 m 方案內沿程壓強增幅均較穩定，各方案斷面間平均增幅分布為5.7%～8.2%，以高度4 m 方案下壓強受影響敏感度最高。而在高度超過4m 方案內， 壓強在斷面0～7.2 m 內具有遞增特性，而在臨近出渠口斷面處壓強呈穩態分布，壓強遞增效應受限制，甚至高度6 m 方案在斷面9.6 m 后高度6 m 方案的壓強水平低于高度3 m 方案。綜合壓強特征可知，翼片高度4 m 下，沉沙池內水力特征技術優勢最大，對沉沙、排沙運營具備更高的可靠性。

4 沉沙池水沙特征分析

圖8 為本文模擬計算運營期500 d 時池內含沙量變化特征。

圖8 沉沙池運營期500d 含沙量變化特征

分析圖中含沙量變化可知，翼片高度愈大，則含沙量水平愈低，翼片高度1 m 方案下斷面平均含沙量為3.47 kg／m3，而隨翼片高度每米遞增，其平均含沙量的降幅為13.1%，由此表明，翼片高度愈大，對池內排沙、沉沙效率具有促進作用。另一方面，池內斷面含沙量均為遞增特征，以出渠口含沙量水平最大，翼片高度1 m 方案中各斷面間含沙量的增幅為4.8%，在翼片高度3 m、4 m 方案中相應的增幅分別為4.2%、3.2%，即翼片高度愈大，斷面含沙量水平控制效果愈佳，但是在翼片高度5 m、6 m 方案中含沙量的增幅分別“慢-快”兩階段，兩個方案均在斷面4.8 m 后出現含沙量的快增變化，該斷面后含沙量的平均增幅分別可達7.2%、11.6%，即翼片高度愈大，由于對水體控制性欠弱，因而含沙量水平在一定斷面區間上會“脫離”斜板沉沙、排沙控制[12］，導致含沙量出現高增幅階段。綜合池內水力特性及水沙演變，認為翼片高度4 m 時沉沙池結構設計水平最優。

5 結論

（1）翼片高度對池內流速等值線分布影響較小，但高度5 m、6 m 方案內流速等值線分布存在渦旋，且在峰值流速斷面周圍區域存在流速波動段；翼片高度愈大，流速愈高，但增幅集中在高度1 m～4 m 方案，超過高度4 m 后平均增幅僅為9.8%。

（2）各翼片方案中以高度4 m 下壓強水平最高，在翼片高度1 m～4 m 與4 m～6 m 梯次方案內，分別具有平均增幅28.1%與降幅17.3%；蓋度4 m 方案下斷面間壓強增幅最高，而高度5 m、6 m 方案臨近出渠口壓強增長停滯。

（3）翼片高度與含沙量水平為負相關，翼片高度方案每梯次下，池內斷面含沙量的降幅為13.1%；池內斷面間含沙量為遞增變化，但高度5 m、6 m 方案在斷面4.8 m 前、后的遞增呈“慢-快”兩階段特征。

（4）綜合流場計算，沉沙池翼片高度4 m 方案下排沙、沖沙設計最優。