有闸侧槽式溢洪道三维数值模拟研究

张虎

（渭南师范学院 陕西渭南 714099）

前言

随着西部水电大开发逐渐展开，越来越多的水电工程拔地而起，多种形式的泄水建筑物在工程中得以实践，并取得良好效果。侧槽式溢洪道因其能够较好地适应复杂的地形，减少开挖量，节省工程投资，在方案比选时更有优势而被广泛的应用。

侧槽式溢洪道和有闸侧槽式溢洪道的区别在于在侧槽式溢洪道的溢流面上增设闸门，由于侧槽式溢洪道进口流态较为复杂，若修建闸墩，必然会影响进口流态及流量而较少使用。若能准确分析有闸溢洪道进口流态和流量，可通过修建闸门以抬高水库蓄水位从而保证水库的调节库容，同时，侧堰长度大幅缩短，减少开挖和结果尺寸，节约工程投资。

文献[1～5]均是对侧槽式溢洪道的泄流能力、水面线计算、体型优化的研究，研究方法和手段仅限于物理模型试验和一维水力数学模型的计算（水面线计算）。正堰溢洪道水力特性的研究及体型优化已经逐渐参考三维数值模拟的成果，但侧槽水力特性尤其是有闸侧槽式溢洪道的数值模拟研究较少。鉴此，本文采用数值模拟的方法对某工程有闸侧槽式溢洪道侧槽段水力特性进行模拟，并与物理模型试验实测值进行比较。

1 模型试验

本工程表孔溢洪道由溢流堰、侧槽段、水平稳流段、侧槽段和消力池段组成，总长342.507m。侧槽段溢流堰堰顶宽度18.0m，侧堰采用WES实用堰型，上游堰高2.0m，中圆弧半径R2=0.5072m，上、下游圆弧半径R3、R1分别为 0.10144m、1.268m，溢流堰面曲线方程为 y=0.226695X1.85。侧槽底宽由进口处的3m渐变至出口处的5m，溢流堰面曲线后接1：0.75的斜坡使水流迅速下泄，另一侧为竖直挡墙。

委托西北农林科技大学对本工程进行了水工模型试验[1]，以期用物理模型试验的结果率定和验证数学模型和参数选取的合理性及模拟计算结果的准确性。模型几何比尺Lr=40，流量比尺Qr==10119.289，流速比尺vr==6.3246，时间比尺Tr==6.3246，糙率比尺nr==1.8493。物理模型试验布置图见图1。

2 数学模型

2.1 控制方程

采用RNGk-ε双方程紊流模型，其中k方程为：

式中：t为运动时间，ρ为加权平均密度，μ为加权平均分子黏性系数；u为x方向的速度，x为坐标方向。模型中设置的参数为Cu=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

引入VOF模型，ρ和μ则为体积分数的函数：

图1 物理模型试验布置图

式中：ρω和ρa分别为水和气的密度；μw和μa分别为水和气的分子黏性系数。

2.2 网格划分与边界条件

为研究闸门进口处和泄槽出口处的水流特性，不能仅建立侧槽段的数学模型，因此，选取闸室前端5m和泄槽出口处5m及侧槽段建立三维模型。由于闸墩进口处为圆弧形，溢流堰为曲面，无法采用体型更好、计算更快的结构化网格，需采用结构化和非结构化相结合的网格形式，虽然网格形式一般，计算速度较慢，但对计算结果的准确性无太大影响。网格划分单元数约为30×104个。

数值计算软件已成功模拟水、气两相流，对于水、沙两相流和水、沙、气三相流的模拟很少见[2]。溢洪道水位通常较高，水体内泥沙含量基本忽略不计，因此，本文计算采取水、气两相流。研究的主体是水流特性，因此，将水体定义为主相，气体定义为次相。溢洪道水流的速度进口、出口和气体进口、出口分别采用试验的实测流速和大气压强，速度进口实测流速口V1=3.76m/s，出口实测流速V2=2.55m/s；进出口溢洪道上部空间均为空气，故进出口压强为0。

3 结果对比分析

3.1 进口流态

3.1.1 模型试验流态

图2是校核洪水位时有闸侧槽式溢洪道控制段进口流态试验观测图。从图2（a）中可以看出，在校核流量工况下，进口水流受闸墩影响较小，能够平顺地流入侧槽中，仅在边墙处有水流溯窄现象，侧收缩系数较大，可能会影响侧槽的过流能力。从图2（b）可以看出，水流翻过溢流堰后可迅速沿侧槽底板排向下游，在侧槽起始端，流量较小，水流为自由出流[3]；在侧槽末端，流量较大，水流为淹没出流。通过模型试验实测，校核洪水位时的设计流量是185.10m3/s，实测流量为206.05m3/s，实测流量比设计流量大20.95m3/s（11.32%），侧槽满足设计要求。

图2 校核洪水位侧槽段流态

3.1.2 数值模拟流态

图3是数值模拟后提取有关数据绘制的进口流态图。为了真实反映进口流速，提取二分之一水深处的流速分布，图中缺失部分为溢流堰混凝土实体。从图中可以看出，闸室内水流沿垂直侧堰方向流入侧槽，水流平顺，翻过侧堰后，水流开始出现紊乱，但总体趋势仍然顺侧槽向泄槽方向流动[4]。模拟效果与试验效果一致。

图3 数值模拟进口流态

3.2 侧槽段流态模拟

图2只能从表象上看出水流的稳态，但无法观测出水体在侧槽内的翻滚趋势，通过数值模拟可以直观的看出水体在侧槽内垂直轴线上的流动规律。图3是截取垂直轴线的侧槽横断面图，从图3中可看出，水体翻过侧堰后迅速向槽内翻滚，使槽内处于满流状态[5～6]，在高差的作用下，水体将势能转化成动能，撞击直立挡墙后向下翻滚，经斜坡段后在下泄水流的带动下形成一个顺时针旋转的水流。由于轴线方向上存在斜坡，最终使槽内形成顺时针向下旋转的螺旋流流态。

图3中箭头的长短即为流速的大小，从图3中可看出，水体进入侧堰堰顶之前流速较小，经过堰顶后流速达到最大值。在侧槽内时，虽然水体的势能转化成了动能，但在水体和墙壁及水体与水体之间的相互碰撞的过程中有气体的掺入、破裂时耗散了大部分能量[7～8]，流速降低。在斜坡时，上升水体与下泄水体发生碰撞，该部位的流速达到最小值。

图3 侧槽横断面图

3.3 压强分布

图4为溢流堰堰体底板压强分布点位和压强值。图4（a）将堰体底板平均分成8等份实测堰体底板压强值。从图4（b）中可看出，随着水深的增加，底板压强值随之增大。水体在碰撞和翻滚的过程中形成了大量的气泡，气泡被下泄水体带入侧槽底部，在压力的作用下，气泡被挤压破碎，释放大量能量，导致底板压强非线性增长。压强的实测值与模拟值基本一致，实测值较模拟值大，究其原因，可能是在测量过程中存在一定误差。

图4 溢流堰底板压强分布

4 结语

采用RNGk-ε双方程紊流模型对侧槽段水力特性进行了三维数值模拟，得到了侧槽段进口流态和进口水面线流动趋势，分析了横断面流速变化原因，对比了溢流堰底板压强的试验值与计算值。选取的RNGk-ε双方程紊流模型及计算参数合理，能够用来模拟计算侧槽式溢洪道水力学特性。