挑流鼻坎體型數值模擬優化研究

趙興龍,韓 雷,王正君,呂春瑋,葉昆河,田振華

(1.黑龍江大學 水利電力學院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學研究院,哈爾濱 150080)

0 引 言

水庫溢洪道的泄洪消能一直是水工建筑物的研究重點,相較于傳統物理模型試驗的研究方法,通過數值模擬對溢洪道進行水力特性的研究得到了更普遍的應用［1］。何志亞等［2］〗針對沙河水庫溢洪道挑流鼻坎采用FLUENT軟件對擬定的挑流鼻坎進行數值模擬,并進行了推薦體型的物理模型試驗,得出了能滿足挑流水舌落點遠離下游崩塌體的挑流鼻坎體型。郭紅民等［3］通過建立溢流堰挑流消能的三維數值模型,并對模型試驗結果進行驗證,同時對多種優化消能方案進行數值模擬計算,得出了在原體型的基礎上適當增大挑流反弧半徑可以改善泄流消能作用。馬強［4］通過數值模擬和模型試驗進行驗證,建立了兩種不同的尾坎并進行數值模擬,得出了下游河道差動式最大流速比連續式最大流速小的結論。張桂花等［5］提出了一種舌瓣鼻坎挑流新體型,并對其進行了物理模型試驗,研究表明該體型增加了水舌挑距,避免了水舌集中沖刷河床。

本文采用數值模擬與物理模型試驗相結合的方式,利用物理模型試驗得到的結果對數值模擬進行驗證。在驗證滿足誤差范圍內的基礎上,采用數值模擬的方法對該水庫溢洪道進行挑流鼻坎優化研究,為挑流鼻坎的體型設計及優化提供參考。

1 工程概況

某水庫由攔河壩(包括大壩和二壩)、溢洪道和引水發電系統等組成。本工程為一等工程,攔河壩及溢洪道為一級建筑物,500年一遇洪水設計,可能最大洪水校核;引水建筑物及電站廠房為二級建筑物,50年一遇洪水設計,500年一遇洪水校核。溢洪道位于右岸低分水嶺處,為開敞式岸坡溢洪道,由引水渠、溢流堰體、瀉槽、挑流鼻坎及出水渠等5部分組成,總長959.50m。設7個溢流孔,堰頂高程205.60m,每孔凈寬16m。設16×13.4m弧形工作門,采用固定卷揚式弧門啟閉機操作,弧門前設一道平板檢修閘門,7孔設1套。設計洪水位220.58m時下泄流量為12 210 m3/s,校核洪水位225.41m時下泄流量為18 570 m3/s。矩形斷面泄槽由130m寬漸變至90m。

2 物理模型試驗

為驗證數值模擬和物理模型試驗的準確性,設計原連續式挑流鼻坎的模型試驗。模型按照重力相似準則設計,為正態模型,由上游庫區、溢流堰(引水渠、溢流堰體、泄槽、挑流鼻坎及出水渠)、下游河道組成。

2.1 比尺設計

模型整體布置按照1∶100的幾何比尺在試驗場按原地形制作,主要比尺關系見表1。

表1 模型主要比尺

2.2 模型制作

非溢流壩段采用磚混結構,溢流壩模型采用有機玻璃制作,庫區及下游河道地形采用定床凹形模板制作。原型溢流壩采用常態混凝土,其糙率n=0.014～0.017。根據糙率比尺,計算模型材料的糙率比尺為0.0065～0.0079,有機玻璃的糙率n=0.008,基本可以滿足糙率相似要求,選擇有機玻璃制作溢流壩模型。加工精度控制在±0.2mm以內,安裝的垂向精度控制在±0.3mm以內,平面精度控制在±0.5mm以內。模型整體布置見圖1。

圖1 溢洪道物理模型試驗流程示意圖

3 數值模擬計算及驗證

采用有限體積法進行離散,采用VOF自由追蹤液面、RNGk-ε湍流模型和PISO算法對原連續式挑流鼻坎進行數值模擬,并與物理模型試驗進行驗證。

3.1 控制方程

數學模型采用RNGk-ε湍流模型,可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動,具有更高的精度和可信度［6］。其控制方程為:

連續方程:

(1)

動量方程(Navier-Stokes方程):

(2)

k-ε紊流方程:

(3)

(4)

3.2 網格劃分

數學模型設順溢洪道方向為X方向,沿溢洪道從右岸到左岸方向為Y方向,垂直方向為Z方向。采用結構化網格進行劃分,引水渠、溢流堰體、泄槽及出水渠網格間距為2m,挑流鼻坎段網格間距為0.5m,模型共有網格總數為2 262 005個。

3.3 邊界條件設置

數值模擬計算中,引水渠入流斷面設置為進口邊界,采用壓力進口,通過給定水位和流速的方法來保持恒定的流量;出水渠出口斷面設置為出口邊界,同樣采用壓力進口,通過給定水位來保持下游河道的水位恒定。各工況設置邊界條件見表2。

表2 各工況設置邊界條件

3.4 模型驗證

本文針對原連續式挑流鼻坎體型(鼻坎挑角30°,挑流鼻坎反弧半徑30m,挑流鼻坎尾部高程179.6m),在泄洪流量為18 570、12 210、7 186m3/s,相應上游水位分別為225.41m(工況1)、220.58m(工況2)、218.00m(工況3)3種運行工況條件下,進行數值模擬與物理模型試驗結果比較。

3.4.1 流量對比分析

表3為3種工況下數值模擬和物理模型試驗的流量。由表3可以看出,數值模擬計算值的進口流量和模型試驗的實測值所采用的進口流量數據基本一致,兩者的相對誤差在允許范圍內。

表3 數值模擬與物理模型試驗流量對比表

3.4.2 水面線對比分析

圖2為3種工況下數值模擬和物理模型試驗的水面線對比圖。由圖2可以看出,數值模擬計算值和模型試驗實測值有略微差異,主要表現為模型試驗實測值略高于數值模擬計算值,但是兩者基本相同,誤差在允許范圍之內。同時可以看出,隨著流量的增大,兩者水面線的擬合程度越來越好,這可能與大流量狀態下流體流動相對更穩定有關。

圖2 各工況下水面線實測值與計算值對比分析

3.4.3 流速對比分析

由圖3可以看出,工況1計算值和實測值誤差最大值發生在樁號0+280m處,誤差值3.72%;工況2計算值和實測值誤差最大值發生在樁號0+540m處,誤差值3.41%;工況3計算值和實測值誤差最大值發生在樁號0+120m處,誤差值3.74%。泄漕段與挑流鼻坎段的流速吻合良好,整體誤差滿足精度需求。

圖3 典型斷面數值模擬與模型試驗流速對比圖

3.4.4 挑射水舌形態對比分析

圖4對比了數值模擬與物理模型試驗挑射水流的水舌形態。數值模擬計算流態良好,與物理模型試驗流態吻合度極高。

圖4 溢洪道挑流鼻坎段數值模擬與物理模型試驗水流流態對比

3.4.5 挑射水舌挑距對比分析

表4為3種工況下挑流鼻坎挑射水舌挑距的數值模擬計算值和物理模型試驗實測值結果比較。由表4可以看出,兩者的結果基本吻合,但某些地方存在著一定的誤差,。誤差值最大的是工況2的內緣挑距為6.5%,這可能是物理模型試驗由于水流的脈動現象導致水舌的落水點具有隨機性,同時模型試驗自身縮尺效應也會對結果產生一定的影響。

表4 數值模擬與模型試驗挑射水舌挑距對比表

4 消能工體型優化

該水庫溢洪道原連續式挑流鼻坎體型存在水流落點過于集中的問題,為了更好地分散水流,減輕對下游河道的集中沖刷,對消能工體型各參數進行優化。參考類似工程以往的經驗,采用雙圓弧差動式挑流鼻坎,以增加挑流水舌在空氣中的摻氣程度,解決挑射水流落點過于集中的問題。

4.1 雙圓弧差動式挑流鼻坎設計

根據該水庫溢洪道的特點,對其進行體型優化。在優化體型設計時,主要考慮以下要求:在原連續式挑流鼻坎體型的基礎上,僅做少量改變,以求便于施工,同時可以達到較好的消能效果。經研究,最終采用雙圓弧差動式挑流鼻坎,高坎和低坎高度差為4m,以泄洪流量12 210m3/s(P=0.2%)為主要研究對象進行數值模擬,比較優化體型與原體型的挑流消能效果。雙圓弧挑流鼻坎三維效果見圖5。

圖5 雙圓弧挑流鼻坎三維效果示意圖

4.2 水舌形態分析

圖6為溢洪道工況2數值模擬原體型與優化體型挑射水舌形態對比圖。由圖6可以看出,優化體型相較于原體型水舌前后的水流落點更分散,入射角更小,挑流水舌形態更好。同時可以看出,優化體型的挑射水流與下游河道中的水流碰撞更充分,更有利于消能。

圖6 溢洪道工況2數值模擬原體型與優化體型挑射水舌形態對比

4.3 水舌挑距分析

表5為原體型與優化體型在12 210m3/s的泄洪流量下的內緣挑距和外緣挑距。由表5可以看出,優化體型的內緣挑距和外緣挑距都小于原體型,但優化體型挑射水流入下游河道處的長度要大于原體型,有利于分散水流,提高了挑射水流在空中的耗能率,減小了對下游河道的沖刷,且優化體型的水舌落水點對壩基不產生危害。

表5 原體型與優化體型水舌挑距對比表

4.4 消能率分析

水庫溢洪道挑流消能率計算方式各有不同。本文的溢洪道挑流消能率可表示為［4,7］：

η=(E1-E2)/E1×100%

(5)

其中:E1=Z+V21/(2g);E2=V22/(2g)

式中:E1、E2分別為該水庫溢洪道上下游斷面的水流總能量;V1、V2分別為上下游斷面平均流速,以下游斷面平均水深為基準高程;Z為上游庫區斷面與下游斷面的高程差。

采用流量為12 210m3/s時的消能率進行對比,原連續式挑流鼻坎的消能率為73.5%;雙圓弧差動式挑流鼻坎的消能率為79.7%。可以看出,優化體型的消能率大于原體型的消能率,雙圓弧差動式挑流鼻坎的消能效果優化明顯,可提高該水庫溢洪道的消能效果,從而減小挑射水流對下游河道的影響。

5 結 語

1)通過FLUENT計算流體軟件,對某水庫溢洪道挑流鼻坎進行數學模型分析,得到的結果與物理模型試驗基本一致。數學模型計算成果提供了比物理模型試驗更為全面的數據,為物理模型試驗做了很好的補充。

2)本文對某水庫溢洪道挑流鼻坎進行優化,對比分析了雙圓弧差動式挑流鼻坎與原連續式挑流鼻坎在水舌形態、水舌挑距、消能率方面的計算結果。數據表明,采用雙圓弧差動式挑流鼻坎可以分散水舌,避免水流落點過于集中,消能率提高了6.2%,有效降低了對下游河床的沖刷。