台阶式溢洪道泄流规律数值研究

李彩霞

（博乐农五师全新勘测设计有限公司，新疆博乐833400）

台阶式溢洪道泄流规律数值研究

李彩霞

（博乐农五师全新勘测设计有限公司，新疆博乐833400）

台阶式溢洪道是水库防洪系统的组成部分，承担着重要的任务，具有良好的泄流和消能效果。随着碾压混凝土技术在水利工程中的应用，对台阶式溢洪道进行水力特性研究具有重要意义。以水利枢纽台阶式溢洪道为研究对象，首先分析了溢洪道的泄洪功能，并指出了台阶式溢洪道研究中存在的不足。采用FLUENT软件对台阶式溢洪道进行数值模拟，分析了溢洪道水流流态、水面线、压力分布。研究表明：台阶式溢洪道底部压力最大，自底部向上沿竖直方向逐渐降低到负压后，又开始增大。

台阶式；溢洪道；泄流规律；数值模拟

溢洪道是排放水库中多余水量、漂浮物、泥沙等的重要水工建筑物［1-2］。泄洪消能是水利建设中的重要技术问题，20世纪90年代我国开始修建台阶式溢洪道，国内众多学者也开始对溢洪道水利特性进行研究。水利工程的修建势必引起天然河道的改变，在水库前后水位落差的作用下，台阶式溢洪道流速将明显大于河水流速［3］。如果不采取有效措施，高速水流将会冲刷下游河床，危及水坝安全。

随着碾压混凝土技术在水利工程中的应用，对台阶式溢洪道进行水力特性研究具有重要意义。根据平面轴线不同，溢洪道可分为直线型和曲线型2种，研究显示只要斜坎布置合理，曲线形溢洪道就能满足需求。目前，新型台阶式溢洪道主要有：V型曲线形溢洪道和外凸台阶溢洪道［4］。以水利枢纽台阶式溢洪道为研究对象，首先分析了溢洪道的泄洪功能，并指出了台阶式溢洪道研究中存在的不足。采用FLUENT软件对台阶式溢洪道进行数值模拟，分析了溢洪道水流流态、水面线、压力分布。希望为今后台阶式溢洪道设计提供参考。

1 溢洪道消能率研究

随着水利科技工作者对溢洪道问题的深入研究，我们对溢洪道消能特性有了深刻的认识。台阶式溢洪道消能效果关系到整个水利工程的安危，目前消能率的计算公式很多，最简单的公式是基于能量方程得出的。消能率［5-6］：

式中：η—溢洪道消能率，%；E1—上游水头，m；E2—下游水头，m；ΔE—上下游高度差，m。

台阶式溢洪道的消能主要通过自掺气功能实现，但是气液两相流是一种非常复杂的流态，目前尚未有完整的理论体系对掺气量进行计算，台阶式溢洪道气液两相流问题还处于探索性阶段。1994年，Chanso提出了单一台阶掺气量的计算式［7］：

式中：Ei—单一台阶的掺气率，E水舌—入射水舌的掺气率，E水跃—水跃的掺气率。

在发展前期，主要通过模型试验对溢洪道泄流特性进行研究。本文设计的台阶式溢洪道模型按照重力相似性准则进行设计，模型的几何比例尺取50，流速比例尺为7.07，时间比例尺为7.07，粗糙度比例尺为1.92。该模型由溢洪道闸室、泄槽、挑坎等部分组成。上游水位测点位于溢洪道进口60m处，下游水位测点位于挑坎下游175m的位置，综合流量系数为0.38～0.45。通过对模型进行多参数试验，研究台阶尺寸、流量对消能率的影响，根据试验数据推导出消能率的计算公式。目前，台阶式溢洪道水力特性研究还处于较低层次，仍有许多技术问题亟待解决，主要有［8］：溢洪道的泄流能力随着水位升高而变大，如何准确测量溢洪道流场的速度分布、掺气量仍有一定困难；现有模型采用连续型挑坎，在大流量时如何保证台阶溢洪道表面的空气腐蚀成为研究难点；现阶段消能率的计算式大多由模型试验导出，数值模拟精度还有待提高；气液两相流研究理论还不完善，台阶式溢洪道水力现象的微观机理还有待进一步研究；台阶式溢洪道内部的水流流态十分复杂，属于旺盛的湍流，流动中有水力冲击波产生，水力波动会对溢洪道边墙产生危害。

2 溢洪道泄流规律数值研究

2.1 模型建立

采用FLUENT软件对台阶式溢洪道进行数值模拟，在模拟之前首先建立数学模型。根据模型试验的相关数据，取设计洪水和校核洪水2个计算工况，以便对溢洪道台阶上的压强分布规律进行研究。对溢洪道剖面进行2维计算，对溢洪道整体进行3维数值计算，模型建立用AutoCAD完成，网格划分在GAMBIT软件中完成，并设置好边界条件和入口参数。网格划分是数值计算的关键，本文采用结构化网格划分方法，由于台阶式溢洪道计算区域较为复杂，对台阶面网格进行局部加密处理，整体采用0.8m的网格间距，台阶面采用0.2m网格间距，整个模型的网格数量约为160万。计算采用FLUENT软件中的VOF求解器，并进行压力场与速度场的耦合。

采用标准k-ε双方程模型进行求解，控制方程选用有限体积法，压力场与速度场的耦合采用SMPLE方法［6］。k-ε双方程模型有紊动能和耗散率两个参数，应用范围最广但是在台阶弯曲处会存在失真。为了提高计算精度，对流项采用2阶迎风格式。设计水位和校核水位2种计算工况参数见表1。

表1 2种计算工况参数

通过计算结果对比，发现2次计算间的质量误差已经小于0.1%，由此判断2次计算已经收敛。

2.2 数值模拟结果

台阶式溢洪道的流态主要有：跌落水流、过渡水流、滑行水流3种。图1给出了2种计算工况下的剖面水流流态情况。

图1 2种工况下溢洪道水流流态

由图1可以看出，本文模拟的溢洪道水流较为平缓，掺气沿着竖直面逐渐增多，在溢洪道中墩以后也未出现明显的水力冲波。数值结果表明，校核工况的掺气位置为第6个台阶，而设计洪水工况下在第3个台阶末端就开始掺气。

随着水流的高速流动，泄流会出现雾化现象，本文在数值计算时掺气浓度取值为60%，校核工况水面线分布情况如图2所示。

图2 校核工况水面线分布

由图2可知，滑行流态下，水面线在前几个台阶处下降速度较快，随着水流掺气后，水面线下降的幅度减小。图3给出了溢洪道校核水位工况下的剖面压力分布。

数值计算结果表明，在开始的几个台阶上存在负压区域。分析产生负压的原因可知，可能是水流经过过渡段时出现脱壁导致的。通过对比试验值和计算值，发现前几个台阶的计算值较为准确，后几个台阶出现了一定误差，其原因可能是实测压力中存在动压。研究表明：台阶式溢洪道底部压力最大，自底部向上沿竖直方向逐渐降低到负压后，又开始增大。

图3 校核水位工况压力分布

3 结语

随着碾压混凝土技术在水利工程中的广泛应用，台阶式溢洪道水力特性分析越来越重要。以水利枢纽台阶式溢洪道为研究对象，分析了溢洪道的泄洪功能，指出台阶式溢洪道研究中存在的不足。对溢洪道水流流态、水面线、压力分布进行了数值模拟，得出：滑行流态下，前几个台阶处下降速度较快，随着水流掺气后，水面线下降的幅度减小；溢洪道底部压力最大。但是由于计算模型做了简化，计算结果与实际情况还有一定差距，有必要建立高精度湍流模型，以提升计算精度。

［1］周斌.多流道式弯道在黄山洞水库溢洪道加固中的应用［J］.水利规划与设计，2014（05）：81-83+92.

［2］崔华存.小型病险水库溢洪道设计中的问题及解决方案［J］.水利规划与设计，2014（03）：62-64.

［3］任双立，吕勋博.Fluent软件在溢洪道泄流中的应用［J］.电网与清洁能源，2014（07）：77-80+85.

［4］李刚，李亚飞.孤石滩水库除险加固工程溢洪道泄流能力研究［J］.河南水利与南水北调，2013（24）：36-38.

［5］林祯兆.溢洪道的水力特性研究［J］.水利规划与设计，2010（02）：48-49+54.

［6］李西平.鸭河口水库溢洪道泄流能力研究［J］.人民长江，2010（09）：92-94.

［7］张艳丽.海龙川水库溢洪道加固设计与计算分析［J］.水利技术监督，2015（01）：49-51.

［8］贺芳丁，冯毅，张涛.尚庄水库除险加固工程溢洪道设计方案分析［J］.水利技术监督，2011（05）：45-47.

TV135.2；TV651.1

A

1672-2469（2015）12-0073-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.026

李彩霞（1982年—），女，工程师。