侧槽式溢洪道三维数值模拟研究

2018-08-30陈振军

水利科技与经济 2018年4期

陈振军

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引言

水利工程大多修建于高山峡谷地段，地形地貌高低起伏，地势复杂。由于诸多因素的制约，开敞式正堰溢洪道不适用于部分工程，一般可选取与地形等高线适应度较好的侧槽式溢洪道。为了降低对山体的扰动，减少开挖量，节省工程投资，侧槽式溢洪道的体型一般设计成狭长的窄深式，降低泄洪水头，提高水库兴利调节作用，在工程中得到了广泛的应用。

文献[1-4]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，但侧槽水力特性的数值模拟研究较少。本文采用数值模拟的方法对某工程侧槽式溢洪道侧槽段水力特性进行模拟，并与物流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(i=0.1)、稳流段(i=0)、侧槽和消力池组成，总长365.607 m。侧槽段堰顶宽18 m，侧堰采用WES实用堰型，上游堰高P1=2.0 m，中圆弧半径R2=0.507 2 m，上下游圆弧半径R3、R1分别为0.101 44和1.268 m，溢流堰面曲线方程为y=0.226 695x1.85。底宽由3 m渐变至5 m，侧槽堰面曲线后接1∶0.75的斜坡使水流平滑下泄；另一侧为竖直导墙，安全超高△h取0.5 m。

图1 物理模型试验布置图

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[5-8]：

(1)

ε方程为：

(2)

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：

ρ=αwρw+(1-αw)ρα

(3)

μ=αwμw+(1-αw)μα

(4)

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

为了研究水流如何流入溢流堰，数学模型的建立包括部分库区和整个侧槽段。由于侧槽段体型复杂，网格划分采用结构化网格和和非结构化组合的网格划分形式。对于体型规整的区域采用结构化网格，变截面的区域采用非结构化网格[9-10]，网格划分单元数约20×104个。

溢洪道一般均为水、气两相流，将水体定义为主相，气体为次相。水流进口和和气体进口分别采用速度进口和压力进口。通过计算，速度进口V1=3.76 m/s，出口流速V2=2.55 m/s。进出口溢洪道上部空间均为空气，故进出口压强为零。

3 计算结果与分析

3.1 侧槽段流态

3.1.1 侧槽平面流态

本文模拟了校核洪水位是侧槽溢洪道的水力特性。校核洪水位时溢洪道下泄流量为143.31 m3/s。校核洪水位时，侧堰进口来流平顺，水流平稳(图2)；侧槽段流态为典型的沿程增量并伴有螺旋流的水流流态，堰后部分堰流为微淹没流态，淹没程度沿程减小并在左边孔附近演变为自由出流；从稳流段开始，螺旋流沿程衰减，至渥奇面以上约40 m处断面水深基本均匀分布。由图2(b)可看出，进口水流翻过溢流堰后，水流方向杂乱无章，但总体水流方向是沿纵坡方向流动，在侧槽主流区，可明显看出水流的流动方向。

图2 校核洪水位侧槽段流态

3.1.2 侧槽横断面流态

水流经溢流堰后流速加大，很快形成满槽，除首端部分自由出流外，到溢流堰末端出现淹没出流，但溢流堰整体过流能力满足设计要求。水流翻越溢流堰后，势能转化成动能，在X、Y方向上速度增大。X方向上，由于速度增大，水流会撞击山体侧的直立边墙，受到撞击后的水流释放一部分能量后又折回入口水流方向，与入口水流发生掺混，形成螺旋流(图3)。速度矢量的大小即代表了流速的大小。图3中可看出，溢流堰堰面上和水流自由表面流速较大，底部流速较小，说明水流撞击后释放部分能量，翻滚后与进口水流撞击耗散了部分能量，最后在下翻的过程中与水流碰撞也会抵消部分能量；Y方向上的水流沿侧槽坡度方向迅速下泄。

图3 侧槽横断面图

3.2 压强分布

图4为溢流堰压强分布图。在图4(a)中，在溢流堰表面布置了平均分布的8个点位进行实测，读取实测值，与计算值进行对比分析。从图4(b)中可看出，压强随着水深的增加而加大，在溢流堰入口处，水深较浅，压强较低，在侧槽形成满流和部分淹没出流后，溢流堰底板压强增大，在侧槽底板处压强达到最大值。实测值较计算值偏大，可能是试验测量时由于人为的原因导致误差，压强的实测值和计算值的变化趋势和数值基本一致。