复杂尾水流道消能方案研究及数值模拟分析

任 杰 张 爽

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

传统的水工水力学分析主要有两种方法：理论分析方法和物理模型试验方法。近年来随着紊流理论的提出和计算机技术的发展[1]，流体动力学数值模拟方法也成为了研究水流的重要手段之一，并且已有诸多学者采用该种方法在工程上进行了应用研究，丰富了相关成果。1985年斯杰克莱大学的Ellis J[2]提出了很多不同种类的溢洪道数学模型，并利用这些数学模型预报水流流态情况，经与物理模型对比，两者的结果符合较好。日本京都大学Kawachi，Babar等[3]于1999年结合有限元和有限体积法提出了一种计算二维溢洪道流场的数学模型，并将所得计算结果与物理模型试验结果进行了对比，结果符合很好。四川大学周勤、伍超等[4]对“S”型溢洪道进行了数值模拟和模型试验工作，经比较分析数值模拟结果与实验成果吻合较好。1999年Bruce M.Savage和Michael C.Johnson通过标准Ogee堰水流参数的研究，分析比较物理模型和数学模型数据,总结出数值模型的研究方法[5]。

本文结合国外某水电站工程，在理论方法无法进行简化分析的前提下运用FLOW3D数值模拟计算软件对复杂边界条件下尾水流道的水力学特性进行了三维分析，通过方案研究成果对比确定了合适的消能方案，解决了泄水期间尾水建筑物的安全运行问题，且实际运行良好。

1 工程概况

本研究依托工程为引水式电站，共分为两级，正常运行时一级尾水经尾水渠进入引水前池，并通过隧洞引至二级，其发电流量为21.4 m3/s。当二级引水前池需要进行检修时水流沿分流渠和溢洪道泄向下游河道，建筑物平面布置如图1所示。检修期间尾水下泄需经过混凝土箱涵(含两个转弯段)、分流渠闸室、分流渠两级底坎和溢洪道台阶等建筑物，水流边界变化较多，且存在直角转弯等现象。

根据分流渠与溢洪道连接段的布置情况，分别考虑了两种结构型式，两种方案布置型式见图2。分流渠闸室下游侧均设置了水跌进行消能，方案一采用下游溢洪道一级台阶跌坎内的水跃消能，方案二采用辅助消力墩进行消能，并对右边墙进行局部加高。

2 数值模拟方法

2.1 数学模型

分流渠计算模型分别包括厂房尾水管、分流渠箱涵、分流渠闸室、两级跌坎及台阶式溢洪道，计算模型见图3。紊流计算模型采用k-ε模型，离散方程采用软件自带的有限体积法。为了获得较为准确的水面流动情况，应用该软件独有的Tru-VOF法进行自由表面追踪，该方法根据体积函数进行水气比例计算，函数表达式见式(1)。

(1)

2.2 网格剖分

利用FLOW3D独有的FAVOR方法，整体模型采用结构网格划分，对于复杂几何形状该种网格分析方法更为简便和快速。考虑到计算模型的尺寸规模，x,y,z三个方向上的网格尺寸均为0.2 m，计算网格总计258 703个。

3 边界条件

尾水管顶部入流口采用FLOW3D中的Mass Momentum Sources设定稳定的电站机组尾水流量21.4 m3/s，每个机组为10.7 m3/s。模型上部与溢洪道下游侧设定为压力边界(Specified pressure)，其余边界为默认的对称边界(Symmetry)。

4 结果分析

4.1 流态及流速分析

在相同尾水流量下，当计算收敛后停止计算。图4分别给出了不同方案水流到达溢洪道右边墙瞬间和水流稳定后的两种流态对比结果，分流渠典型纵剖面(左边墙附近剖面、中轴线剖面、右边墙附近剖面)流速云图对比结果见图5。

方案一中水流经过分流渠跌坎消能后以较大速度进入溢洪道一级台阶跌坎内部，水流在溢洪道右边墙处受边界影响快速雍高并进行直角转弯，随后沿台阶顶部下泄。水流流态稳定后大部分主流集中在溢洪道右边墙附近，导致水流下泄不均。同时由于水流集中下泄的影响，计算结果中显示溢洪道台阶顶部水面线已到达计算区域边界，说明水面线超过了墙顶高程，因此方案一中溢洪道右边墙高度不满足要求，该方案无法保证安全运行。

方案二中水流受消力墩影响在分流渠跌坎下部便开始进行碰撞消能。由于水流紊动增强的效果，水流在消力墩区域较方案一水面线有所抬升，因而流速也显著降低。当水流到达右边墙时流速相比方案一已有所减小，因此直角转弯处的水面雍高效果也小于方案一。流态稳定后方案二中水流下泄分布情况明显改善，水流在消力墩区域便已开始下泄，避免了水流集中效应的产生，也使得溢洪道右边墙附近的水面线降低。

4.2 消能率分析

根据图5中不同方案流速云图对比可以看出，本工程中解决弯道水流复杂边界下不利流态的关键在于降低水流流速，两种方案下分流渠跌坎下部纵剖面流速从6 m/s～7 m/s降低到3 m/s～4 m/s，消力墩消能作用明显。为了定量说明消力墩的消能作用，针对两个方案分别选取消力墩上下游两个典型断面进行能量比较，计算原理见公式(2)[6]。

计算断面如图6所示。方案一计算的消能率为5.2%，方案二计算消能率为23.6%。因此消能计算结果与流态及流速矢量图中的规律一致，消力墩起到了增强水流紊动效果，消能率较大。

两个断面的能量可按式(2)求得：

(2)

相对消能率：

5 结语

该消能方案研究成果已用于项目中实施，且分流渠及溢洪道运行良好，通过采用数值模拟技术对复杂尾水流道消能方案的研究分析，对分流渠的细部设计进行了定性分析和定量计算，比选出了较优的布置方案，得出如下结论：

1)复杂尾水流道下应用数值模拟技术进行相应分析可得出较为全面的水力学计算结果，且计算结果与水流实际运行情况吻合度高，可见小尺度复杂边界条件下的数值模拟计算精度满足工程实际要求，有助于提高设计质量。2)当采用理论计算方法对复杂边界下水流无法进行简化分析，且无条件开展物理模型试验时，可运用数值模拟的方法进行替代分析。3)通过实际案例应用分析，数值模拟技术(FLOW3D软件)在进行水利水电工程流道设计中具有快速直观的计算优势，可快速进行不同方案的比选，避免了物理模型试验成本高、周期长的缺点。