溢流堰面水流的数值模拟

侯 明 瑞

(华北水利水电大学，河南 郑州 450005)



溢流堰面水流的数值模拟

侯 明 瑞

(华北水利水电大学，河南 郑州 450005)

针对传统堰面设计方法中的不足，利用数值模拟方法，对三种不同典型堰剖面的过堰水流进行模拟，分析了不同剖面形状对堰面动水压强的影响，可为溢流堰剖面曲线的科学设计提供参考。

溢流堰，堰剖面，数值模拟，动水压强

0 引言

出于防洪、发电及灌溉等目的，人类在自然河流上修建大坝乃至更为复杂的水利枢纽工程以期抬高水位蓄积水流势能。在实际应用中，出于水利枢纽安全或为即将来临的洪水提供更多库容等方面的考虑，往往需通过溢流的方式将多余水流倾泻至下游。最常用的泄流方式是通过闸门控制，将水流通过溢流堰下泄。水流在溢流堰上的运动是一个典型的由势能直接转化为水流动能的过程，并且这一过程流程短，转化速度极快，使得从溢流堰面下泄的水流具有动能大、功率高的特点。因此必须对溢流堰面曲线进行科学的设计，在获得尽可能大的过流能力的同时，尽量避免堰面出现负压进而产生空化空蚀对堰面产生破坏。

1 传统堰面设计

实用堰剖面形状的研究由来已久。早期的研究思路主要是以薄壁堰下泄水流时产生的水舌下沿形状作为基础并对其进行修正。巴赞早在1888年即据此提出了巴赞实用堰剖面，该剖面理论上可以避免负压产生，但在后来的实际应用中却发现由于堰面本身的不平整等原因仍可能产生严重空蚀。之后在水利工程建设的巨大需求下，又研究出“克里格—奥菲采洛夫剖面”“Ogee剖面”及“WES剖面”等，其中“WES剖面”在我国的应用较为广泛[1-3]。虽然上述剖面一定程度上满足了工程设计的需求，但其缺点也是较为明显的。首先，上述剖面的研究方法主要采用传统水力学方法，其计算公式以及公式中的大量系数是经验性的，且具有一定的变动范围，因此对于特定工程必须进行大量实验研究来进行确定。其次，传统方法只能对剖面上发生的高速水流的平均状况进行考察，而对于不同情形(如变动的水头)以及流动细节(如堰面任一点的压强)等则无法计算。因此，采用数值模拟手段对不同实用堰剖面的堰面水流流场进行模拟，不仅能避免传统方法带来的不足，而且可以快速筛选所需堰型，大大提高设计效率。

2 几种典型堰剖面的数值模拟

2.1 模拟的基本原理

对于一般水流现象的数值模拟主要是通过对流体力学的“连续方程”“动量方程”及“能量方程”在计算域内进行离散化，得到在有限计算节点或网格上的代数方程，同时引入适当的紊流模型，最终形成大型代数方程组进行求解[4]，其具体方法在文献中已有完整描述，限于篇幅，在此不再赘述。

2.2 几个典型堰面曲线的拟定

前已述及，实用堰的堰面曲线主要是在薄壁堰下泄水舌形状的基础上修改而成。因此，本研究也以薄壁堰下泄水舌形状为基准，其剖面基准形状及边界条件参数如图1所示。基本计算工况主要区别以BC段长度和CD段坡度进行控制，见表1。

表1 计算工况及堰面参数特征

工况名称BC段水平长度/mCD段坡度ma堰型工况一15.61∶0.57偏胖工况二14.11∶0.6较胖工况三12.51∶0.7适中工况四9.51∶0.9较瘦工况五9.11∶0.93偏瘦

2.3 模拟结果及分析

1)堰面压力分布。限于篇幅，图2仅给出工况一、三、五等3种典型情形下模拟得到的堰面动水压力分布图(其他三种情形分别介于上述工况之间)，从图中可以看出，对于“偏胖”的工况一，其堰面压强普遍分布于16 kPa～18 kPa，动水压力较大；而对于“偏瘦”的工况五的堰面压强则分布于5 kPa～9 kPa；堰面动水压强已经很小；工况三则介于上述两情形之间。在实际应用中，上游作用水头可能会在一定范围内变动：对于本研究所涉及的算例而言，当作用水头从5 m开始逐渐增大时，工况三的堰面压力将会进一步降低直至产生负压，进而增加堰面产生空化空蚀破坏的危险，而工况一、三则相对安全。

2)堰面的过流能力。将模拟得到的各工况过堰流量绘制于图3。从图3中可以看到，随着溢流堰体型从“胖”到“瘦”，其过流能力将相应增加，其原因与前述的堰面压力分布有关。对于较“胖”体型而言，体型所造成的堰面的偏大的动水压强，实际上起到了减小上下游有效作用水头的作用，进而减小了堰面的过流能力(流量)。而较“瘦”的体型则正好相反，其体型所形成的较小的动水压强，反过来起到了增大有效作用水头的效果，从而使其过流能力有所增加。但从图3中看，经过了体型较为适中的工况三后，工况四、五的过流能力虽有所增加，但增幅较缓。

3 结语

本研究利用数值模拟方法对不同堰面体型的过流能力和堰面动水压强分布进行了对比计算。计算表明：堰剖面设计过于窄瘦，虽然工程量较小且有利于提高堰体的过流能力，其可能产生的负压存在空化空蚀的不利趋势。而堰面设计过于宽胖，虽然可有效避免负压问题，但其过流能力会大大减小，降低了实用堰的效能。以薄壁堰下泄水舌为基本形状进行适当调整是适合的。

[1] 吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社,2003.

[2] 田嘉宁,吴文平,韩 屿.泄水建筑物体形设计[M].西安:陕西科学技术出版社，2000.

[3] 华东水利学院.水工设计手册(第6卷) 泄水与过坝建筑物[M].北京:水利电力出版社,1982.

[4] 王福军.计算流体动力学分析:CFD 软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

Numerical simulation of water flow of overflow dam

Hou Mingrui

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450005,China)

In light of traditional overflow dam design method defects, applying numerical simulation method, the paper carries out numerical simulation of water flow of three kinds of overflow dam, and analyzes the impact of various section shapes upon hydraulic pressure, which can provide some guidance for scientifically designing overflow dam section curve.

overflow dam, dam section, numerical simulation, hydraulic pressure

1009-6825(2016)05-0238-02

2015-12-02

侯明瑞(1988- )，女，在读硕士

TV132

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