泄水建筑物三维水流数值模拟技术及应用

2015-12-31包中进王月华

浙江水利科技 2015年1期

包中进，刘云，王月华

(浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020)

1 研究背景

水动力数值模拟一般侧重于一维或平面二维数值模型，常用的有MIKE、SMS系列软件，其中Mike11主要用于一维天然河道、灌溉渠道模拟，并且可以模拟多种水工建筑箱涵、桥梁物，包括堰和自定义建筑物，在河流和水库优化运作、河流和水库的水质模拟、实时洪水预报、溃坝分析等方面也有较多应用［1-3］。SMS及Mike21主要应用于河口、海岸及海洋等较大尺度水动力、水质、泥沙的模拟［4-5］。对于泄水建筑物，如水闸、溢洪道、拱坝等，一方面建模时体型概化较难;另一方面模拟的水流流态较为复杂，具有明显的三维特性，如消力池复杂的水跃流态、溢洪道挑流水流的扩散、水垫塘内漩滚流态等［6-8］。常规的一维或平面二维技术无法精确模拟其复杂的三维流态，且往往需要与物理模型相结合进行应用。

为此，国内外水利工作者在不断提高水工水力学物理模型研究技术水平的同时，也在积极探索辅助或者替代技术，以丰富研究手段。随着计算机技术的进步和对工程技术要求的提升，如今真实的三维仿真技术已经逐渐成为研究的主流趋势，目前水利工程常见的三维数值模拟软件主要有 Mike3、Delft3D、Fluent和 Flow-3D等，其中 Mike3和Delft3D软件主要着重于模拟大范围的分层流动现象，Fluent计算流体力学仿真软件需要利用四面体或六面体网格来离散三维计算模型，建筑物实体构筑难度较大。Flow-3D流体计算软件具有高效能的三维水流运动计算仿真功能，目前广泛应用于航空航天、机械制造等领域。该软件具有自由液面、网格自由划分及固边界自适应 (FAVOR技术)等优越于其它软件的核心技术，可以利用简单的矩形网格来表示任意复杂几何形状的水工建筑物，比较真实地模拟原型水流情况［9］。

2 三维数值模型

FLOW-3D采用基于结构化矩形网格的FAVOR方法及真实的3步Tru-VOF方法，控制方程中含有体积和面积分数参数。模拟采用单相流体模拟水流流动，应用GMRES方法求解离散方程。

2.1 控制方程

采用N-S方程，建立三维水流RNGκ-ε紊流数学模型。

控制方程包括连续性方程、动量方程、紊动能κ方程、紊动能耗散率ε方程:

2.2 自由表面处理技术

Flow-3D++的自由液面技术，即Tru-VOF方法。流体体积法(VOF)是Hirt和Nichols在1981年提出的处理复杂自由表面的有效方法，是目前应用非常广泛的一种追踪自由表面的数值方法。主要由3部分组成:一是定位表面;二是跟踪自由表面运动到计算网格时的流体表面;三是应用表面的边界条件。Flow-3D使用了真实的三步VOF方法，称之为“Tru-VOF”，该方法定义流体体积函数F=F(x，y，z，t)表示计算区域内流体的体积占据计算区域的相对比例。

在FLOW-3D中关于流体体积函数F的输运方程同样需要考虑体积和面积分数参数，见式(5)。

3 应用实例

3.1 水闸排涝数值模拟

水闸排涝数值模拟主要解决以下水力学问题:水闸排涝能力;闸室上下游水流流态及流速分布;沿程水面线;闸门全开及局部开启闸下消能情况以及闸门不同开启方式。

对某水闸进行了三维数值模拟，该工程水闸为5孔闸，每孔净宽8.0m，最大排涝流量为856m3/s。

原方案的计算成果如下:①闸前水流流态比较平顺，平面流速分布较为均匀，进口两侧翼墙平面布置设计合理。②过闸水流均为堰流，水流平顺过闸后，在消力池内形成淹没水跃，跃首位于斜坡上，较为靠近闸室，护坦及海漫段存在大范围急流区现象。物理模型试验流态和数值模拟计算流态基本相似。③沿程水面线均没有超过挡墙，数值模拟计算成果与物理模型试验实测结果吻合较好。

修改方案计算成果如下:根据原设计消力池水跃淹没度较高、护坦及海漫段仍存在大范围急流区现象的试验成果，提出了设置2级消力池的优化试验方案。计算结果表明:①修改方案闸上流态及流速分布与原设计相同。水流平顺过闸室后，在2级消力池内均形成淹没水跃，护坦及海漫段回流现象明显改善。②防冲槽末端流速较原设计方案有较大降低。③水流沿两侧边墙扩散均较好，流态较平顺，池长池深基本都满足要求。④水闸全开和局部开启情况下，下游水流流态较好。

图1、图2为物理模型试验及数值模拟计算沿程水面线，图3为物理模型试验与数值模拟流态对比图。

3.2 溢洪道泄洪数值模拟

溢洪道泄洪数值模拟主要解决泄洪能力、水面线、水流流态、压力、流速分布等水力学问题，为泄洪闸布置优化、规模比较、挑流鼻坎型式和水垫消能优化等提供技术依据。在水利枢纽工程中，溢洪道消能方式很多，以挑流+水垫塘的消能形式为例，其基本原理是水流经鼻坎挑向空中，掺入大量空气，形成逐渐扩散的水舌，在空中消耗掉一部分能量，跌入下游水垫塘后水流继续扩散，并在主流前后形成2个大旋滚区，余能大部分消耗于水垫塘内水体的紊动摩擦中。由于水流在空中的扩散、挑射距离、水流沿程流态以及在水垫塘内的运动特性等均涉及较多的因素，水流的运动十分复杂，经常存在强三维运动特征的局部复杂流场，数值模拟难度较大。

图1 原设计方案闸室上下游沿程水面线图

图2 修改方案闸室上下游沿程水面线图

图3 水闸排涝物理模型试验、数值模拟闸下水流流态对比图

对某溢洪道进行了三维数值模拟，该工程最大坝高64.0m，最大下泄流量为4623m3/s，泄洪闸为5孔，每孔净宽10.0m，总净宽50.0m，采用挑流消能。

原方案计算成果如下:①水流在进水渠中比较平稳，流速较小;水流出闸后水位急速下降，流速增加。②溢洪道水流经过鼻坎挑起后以挑流形式跌入预挖冲坑 (水垫塘)中。③原设计方案挑距太近，一方面两侧水流挑距仅49.0m左右，直接砸落在两侧斜坡上，另一方面中间水舌最大外缘挑距也只有73.5m左右，部分水舌直接砸击在预挖冲坑上游侧斜坡上，不利于建筑物和岸坡的稳定。

修改方案计算成果如下:修改方案在原方案基础上向下游平移了挑流鼻坎位置、两侧边墙出口增设了贴角、加长了预挖冲坑。计算结果表明:①由于两侧贴角作用，水流挑起后水舌略向中间集中，避免了水流砸击岸坡。②挑流鼻坎下移后挑流水舌均能挑入预挖冲坑中，入水水舌宽度约54.0m，挑流外缘挑距约78.0m。③水流入坑后在平面上迅速向两岸边扩散，左右两侧形成回流区;并且在立面上也迅速扩散，主流潜底，在主流上面和下面分别形成旋滚区。

图4、图5为原设计方案和修改方案的沿程水面线，图6为数值模拟预挖冲坑内流场图，图7为物理模型试验、数值模拟水流流态对比图。可以看出数值模拟水面线、水流流态跟物理模型试验结果吻合较好，特别是在水垫塘中水流漩滚回流强烈区域，水面波动随机性比较强，计算结果很好地演示了这种现象，较好地反映了真实的水流结构和特点。

图4 原设计方案水面线图

图5 修改方案水面线图

图6 预挖冲坑流场比较图

图7 溢洪道泄流物理模型试验、数值模拟流态对比图

3.3 拱坝泄流数值模拟

拱坝泄流数值模拟主要解决泄流能力、挑流水流流态、挑距，以及挑流水舌对岸坡的影响等问题。

对某水电站溢流拱坝进行了三维数值模拟，该工程最大坝高75.0m，坝址最大洪峰流量为2149m3/s。水库泄洪采用坝顶表孔结合冲砂泄洪中孔泄洪，挑流消能，表孔共3孔，每孔净宽11.0m，堰顶高程为963.5m，中孔共1孔，底高程935.0m，孔口尺寸为4.0m×5.0m。

原方案计算成果如下:①挑流水舌在溢流堰面上流线坦化严重，水舌呈现俯冲状态进入下游水垫塘;表孔水舌入水角为61°，入水流速约为31.2m/s，数值模拟计算成果与物理模型实测值接近。②水流出表孔后，由于没有了边墩的导向作用，在空中存在一定的扩散，水舌落水宽度约为38.0m。其中表孔左侧水流直接砸击下游左岸1∶1混凝土护坡上，右岸护坡边缘部分亦被水流直接砸击。

修改方案计算成果如下:修改方案修改了闸室进口墩头，且在表孔左右侧增设了贴角。计算结果表明:①修改方案与原方案的水舌挑距及入水角均比较相似。②修改方案水舌落水宽度约为32.0m，水流避免了直接砸击两岸护坡，数值模拟计算成果与物理模型试验一致。

图8为物理模型试验、数值模拟表中孔水舌形态对比图。

图8 拱坝泄流物理模型试验、数值模拟表中孔表中孔水舌形态对比图

3.4 注意事项

软件模拟注意事项:①模拟范围:尽量同物理模型试验范围一致或略大于物理模型范围。②模型网格:在研究范围上设置网格，网格总数一般不大于500万个。为防止模拟失真，对于局部区域需要进行网格加密，比如:闸墩、消力池尾坎、导墙、贴角等网格一般不得大于1.0m;水舌区域网格一般不得大于0.5m。③初始条件:为了缩短计算稳定时间，一般根据计算工况在上下游设置初始水位。④模型选择:一般包括重力模型、紊动模型、掺气模型、VOF自由表面模型等。⑤结果提取:可以提取一般的水力特性数据，比如水深、水位、流速、压力等;也可提取二维及三维流场图以及进行泄流动画制作。⑥其他注意事项:为了能够输出动画，结果文件一般较大，为数GB至数十GB，计算前需先确认硬盘空间足够。分析网格数量与内存大小有关，需先确认内存足够大，建议最小内存2GB。