台阶式溢洪道泄流数值仿真研究

黄继艳

（凌源市水利建筑勘测设计院，辽宁朝阳122500）



台阶式溢洪道泄流数值仿真研究

黄继艳

（凌源市水利建筑勘测设计院，辽宁朝阳122500）

摘要：台阶溢洪道水力特性的研究具有十分重要的现实意义，通过CAD2012对某台阶溢洪道进行了三维建模，采用ICEM进行四面体网格划分，同时利用FLUENT软件，采用标准两方程紊流模型、VOF模型进行了边界与自由水面处理，最终实现了对台阶溢洪道泄流数值仿真，获得了水流流态、台阶紊动耗散率、紊动能、台阶压力与流速等结果。

关键词：台阶式；溢洪道；泄流；数值模拟

水利工程中台阶溢洪道得到了较为广泛的应用。由于台阶溢洪道将泄流和消能设施集于一体，因此能够有效的降低溢洪道出口收缩面的流速，进而缩减下游消能设施的规模，不仅消能效果好，并且造价低。为使台阶溢洪道更好的在水利工程中应用，研究台阶溢洪道水力特性就具有十分重要的意义。现阶段其研究方法主要包括物理模型试验和数值模拟。本文采用数值模拟法对某水库台阶溢洪道水力特性进行研究。

1　工程概况

某Ⅳ等小（1）型水库，总库容量227万m3，校核洪水位1427.3m，设计洪水位1427.3m，正常蓄水位1427m，大坝坝顶高程1430m，最大坝高44m。该河流属季节性河流，河上无调蓄工程。大坝坝址为“V”型河谷，结构对称，主要包括河床溢流坝段，左、右岸非溢流坝段。枢纽以上主河道长度为26.5km，河道的平均比降为16.7‰，控制汇水面积约为217km2。左岸非溢流坝段坝顶高程为1430m，非溢流坝段沿着坝轴线长度为28.2m，坝顶宽度4.8m。河床溢流坝段位于2#～3#坝段，沿着坝轴线的长度为32.4m。坝体上游面高程和上述非溢流坝段一致。右岸非溢流坝段坝顶高程1430m，沿坝轴线的长度39.20m，顶宽4.8m。右岸的泄洪洞选取“龙抬头”的形式和进水口连接，其中进水口底板高程1402m，厚度为2m，口高4m，宽4.5m。进水塔墩顶高程1430.00m。在7—9月主汛期，当水位超过水库汛限水位以后，泄洪建筑物均打开闸门敞泄。

2　数值模拟相关算法与软件应用

2.1 紊流数学模型

紊流是常见的一种流体自然现象，目前主要采用Navier-Stokes方程进行紊流的描述，通过Reyno1ds平均法的应用，从一定程度上减少了直接数值模拟的计算量［3］。实际工程应用中，涡粘模型的两方程模型应用较广，Z变量的微分方程可表示为统一形式［4］公式（1）：

当Z不同时，表达式中的各个参数也不同，主要体现在源相与扩散相。在两方程模型中最基本的标准方程为k-ε模型，k为湍动能，ε为耗散率。经大量的流场计算与工程实际模拟，大多数均采用标准k-ε模型。

2.2 离散方法与方程离散

有限体积法是常用离散方法中的一种。有限体积法将物理量存储在网格单元中心点上，同时将单元视为围绕中心点的控制体积；或者将物理量在真实的网格节点上进行定义与存储，并在节点周围进行控制体积的构造。其在实施中将计算区域进行划分，计算网格，形成多个相互间独立的子区域，然后确定各子区域的节点与控制体积［5］。

方程的离散研究采用结构化网格与控制体积法，实现任意控制体积上的变量φ积分，并获得一个给定控制体中的离散［6］见式（2）：

2.3 流动进口、出口边界条件

流动进口边界条件主要包括了速度、质量和压力进口边界，研究中对指定流动相关参数进行设定。速度进口中给定进口流速，压力进口中给定压力，其中在参考压力的设定中，流程计算压力为相对值，由于k与ε将影响收敛速度，因此应重视k 与ε的设定，这也是标准k-ε模型使用的重要一步。k与ε估算值见式（3）：

流动出口位置除压力以外的所有变量梯度均为零，而k与ε的设置与进口边界条件一致。

2.4 壁面边界条件与自由液面处理

由于近壁区内流体Re数比较低，因此标准kε模型（高Re）并不适合，因此选择低Re数k-ε模型［7］。自由液面处理较为复杂，本研究中采用体积率法，即VOF模型处理。VOF模型的水相与气相服从同一动量方程，但体积分数为相互独立变量，因此可根据连续方程对自有水面进行追踪，采用VOF方法追踪水面，并由容积分数的函数来对紊流模型的进行确定。

选择CAD软件进行建模。计算流体动力学（CFD）是采用电子计算机来完成数值的计算与图像的显示，并对流体流动物理现象与问题进行分析。其软件的应用包括了前处理、求解与后处理三个阶段，本研究中前处理选择专业CAD的ICEMCFD前处理软件，然后采用FLUENT软件进行计算求解，最后由TECPLOT后处理器对数据进行可视化处理。

3　数值模拟过程与结果

采用CAD2012进行台阶溢洪道三维建模，模型包括上游与下游河道，台阶段、过渡段、WES曲线堰以及反弧段，见图1。

图1　台阶溢洪道三维模型

研究采用ICEM的四面体网格，网格间距0.8m，并对台阶面网格进行了加密，间距为0.2m，台阶上部网格逐层加密，加密4层，比例因子1.2。网格划分完成后，网格总数为160万，经检查整体质量较好，见图2。

图2　网格划分

整个模型采用标准k-ε两方程紊流模型计算，采用有限体积法控制方程的离散，自由水面追踪选择采用VOF法，并使用SMPLE法完成速度压力耦合，前期计算采用一阶迎风离散格式计算对流项，在后期基本收敛后采用二阶迎风，提高计算精度。

通过数值模拟，我们获得以下结论：

（1）采用两方程紊流模型模拟台阶溢洪道复杂流场，采用VOF法对自由水面方式进行追踪是可行的，可作为实际的工程的参考。

（2）该河流台阶溢洪道水流流态为滑行水流流态，水流存在较为明显的分层现象，并且台阶内产生顺时针漩涡，漩涡中水流速度从

零向四周逐渐增大。图3为校核洪水工况下台阶溢洪道的水流流态，图4为不同工况下台阶溢洪道中剖面水流流态。由此可见该台阶溢洪道水流比较平顺，竖直面上掺气逐渐增多。

图3　校核洪水工况下台阶溢洪道的水流流态

图4　不同工况下台阶溢洪道中剖面水流流态

（3）在台阶上紊动耗散率在滑行水流流态时，与紊动能分布规律基本一致，并以台阶凹角为中心逐渐向四周扩大，而紊动耗散率则在凸角上最大，紊动能在台阶凸角两侧最大。

（4）台阶竖直面的上部负压区存在，而随着台阶的下移逐渐减小，最大正压在台阶的底部出现，并沿着竖直面逐渐减小，成为负压，进而负压逐渐增大。在台阶水平面上，基本是正压，但仍有较小的负压出现在台阶凸角处，压力分布从台阶凹角处沿着水平面为先减小后增大，在达到最大后迅速减小，负压可能出现。

4　结论

本研究中河流台阶溢洪道水流流态为滑行水流流态、台阶内产生顺时针漩涡，紊动耗散率在滑行水流流态时，与紊动能分布规律基本一致，台阶竖直面的上部存在负压区，局部压力变化。台阶溢洪道水流特性十分复杂，本研究就其中的一些问题展开了研究，结果发现通过数值模拟的应用，能够为实际工程起到一定的参考作用，但针对复杂的台阶溢洪道水流特性，本研究还存在一定的不足与限制，还需要进一步的深入研究多方面的问题。

参考文献

［1］耿任红，伍超.阶梯溢洪道与光滑泄槽的水力特性比较［J］.水利技术监督，2008（01）：37-40.

［2］吴守荣，张建民，许唯临，等.前置掺气坎式阶梯溢洪道体型布置优化试验研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2008（03）：37-42.

［3］杨吉健，刘韩生，张峰，等.台阶式溢洪道消能规律［J］.排灌机械工程学报，2015（02）：123-127.

［4］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.

［5］陈丽红，熊耀湘，尹亚敏.台阶式泄槽溢洪道设计方法综述［J］.人民长江，2005（01）：18-20 +47.

［6］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.

［7］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.

作者简介：黄继艳（1976年—），女，工程师。

收稿日期：2015-06-05

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.015

中图分类号：TV135

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）03-0039-02