Y型河道水流交汇对溢流坝泄洪影响的数值模拟研究

刘 斌

(广东珠荣工程设计有限公司，广东 广州 510610)

1 研究背景

在水利工程领域中，大坝的修建是根据地理位置、水文数据等综合考虑的，而Y型河道是一种特殊的河道形式，由于Y型河道上游水流的交汇对大坝泄洪、水力发电等都将产生不同的影响，因此大坝的修建都需要通过水工模拟进行验证。目前随着计算流体力学和计算机科学的发展，已有学者通过流体力学计算软件对大坝在不同河道形式下进行研究，得到了一系列可靠性成果，为水利工程领域研究提供参考依据，例如孙亚明[1]通过采用四种模型模拟连续弯道对水流特性的影响，得出了Reynolds模型能较好地再现连续弯道水流形态；程凯等[2]以二维和三维模拟为基础模拟弯曲复式河道水流特性，发现对于水流二次流三维模拟效果较好；王兵等[3]采用Flow-3D软件模拟堤防堵口水力条件，总结出堤防溃口的水流运动规律，为类似工程研究提供基础。

通过国内外学者以数学计算软件在水利工程的模拟应用效果，可知数学模拟相比物理模拟经济可靠、可重复性强，因此本文通过查阅相关资料及建立Y型河道处的溢流坝水力学模型为例，运用成熟的Flow-3D软件建立数学模型进行计算，研究Y型河道水流交汇的基本规律及对溢流坝泄洪水流特性的影响。

2 数学模型

本文数学模型模拟水流的复杂变化采用k-ε模型，因为在水流复杂的交汇变化中，相比其他模拟其具有较好的连续性和对自由表面模拟较好。通过网格划分把整个模型的域分成若干个单元网格，其中F=0表示该单元网格为空白网格没有流体；F=0～1表示该单元网格存在连续的部分流体；F=1表示该单元网格全部被流体充满[4]。根据网格划分规则及保证各个局部完整性，此次网格划分以矩形结构划分法，网格平均单元为0.8 m，网格数量约为150万。

2.1 控制方程

为了计算流体运动情况，模型计算方程包含连续方程、动量方程、紊动能方程。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

紊动能k方程：

(3)

式中：ui为在xyz轴方向上的流速分量；gi、fi分别为在xyz轴上重力加速度及黏滞力；Vf为流体的体积分数；ρ为流体密度；p为在流体微元上的压力；k为表示紊动能；σk为紊动对应的Prandtl数；μ、μt分别为流体动力黏滞系数及紊动黏滞系数；xi表示xyz坐标轴，Ai和Aj分别为在xy轴上的流体的面积分数；t为时间；ui和uj分别为流速矢量在xi和xj方向的分量；ε是紊动能耗散率；Gk为由平均速度梯度引起的紊动能产生项[5]。

2.2 边界及初始条件设置

边界条件：Y型河道上游设置流量边界，设置初始水位50.00 m，溢流坝下游河道设置压力边界，给定初始水位30.00 m，模型整体上方与大气接触设置大气压力边界，模型底部采用固体墙边界。

初始条件：Y型河道上游给定初始流量Q=600.00 m3/s，计算时间步长为0.01 s，计算结果输出流速、流态、挑距、水位等。

2.3 模型率定

计算模型都是通过建立几何模型及数学方程进行计算，为了验证所建几何模型及设置的数学方程的可靠性，将数值模拟结果与物理模型试验实测数据的流速进行验证分析，见表1。

表1 溢流坝闸孔流速

表1是Q=600.00 m3/s时Y型河道水流交汇处溢流坝泄洪闸孔流速，溢流坝1#、2#闸孔实测平均流速和数值模拟结果相比较，误差范围在2.80%～5.73%之间，相对误差较小。由图1可知，水流闸孔泄流模拟形态与试验值较吻合。几何模型及数学方程选取较好，可以模拟本文所研究的内容。

图1 水流闸孔泄流

3 Y型河道溢流坝泄洪数值模拟

Y型河道水流交汇复杂，本文主要是研究在Y型河道交汇处下游的溢流坝的水流特性变化情况，通过Flow-3D软件计算分析模拟流态、闸孔流速、挑距及下游水平断面流速变化情况，上游Y型河道有两条交汇的河道，下游交汇合并成一条河道，溢流坝建于下游一条河道处，具体建模如图2所示。

图2 Y型河道溢流坝模型

3.1 流态

由于Y型河道水流交汇的影响，溢流坝水流流态也会发生变化，为了更好地研究Y型河道溢流坝泄洪水流流态变化情况，根据数值模拟结果得到流态图，见图3。

图3 流态

由图3可知，由于Y型水流的汇聚，在溢流坝上游处有水流冲击波动，水流顺势交汇挑流到下游，水舌挑流均匀的分布在河道中央，对两岸河道冲刷影响较小。

3.2 闸孔流速

对于溢流坝泄洪闸孔流速是比较重要的参数，为研究在Y型河道水流交汇下游溢流坝闸孔的流速分布情况，对1#、2#闸孔流速进行数值模拟研究，通过后处理软件tecplot对闸处进行切片处理[6]，得到闸孔流速分布图，具体见图4。

图4 闸孔流速

根据图3可知，随着Y型水流的交汇进入溢流坝闸孔进行泄洪。1#、2#闸孔流速分布规律相同，流速都是从闸孔底部到上部依次增大，流速范围在2.10 ～8.80 m/s之间，相对1#闸孔底部较大流速比2#闸孔分布广，可能由于Y型河道水流在闸孔处交汇对闸室波动影响大造成的。

3.3 挑距

对于溢流坝泄洪挑距是较重要的数据,直接影响消能效果，挑距的远近及靠左右岸边对坝体及两岸的稳定性影响巨大。本文研究的模型是建在Y型河道水流交汇下游处的溢流坝，为研究溢流坝泄洪时左右岸水舌挑距的变化情况，通过数值模拟结果得到表2。

表2 挑距特征

根据表2可知1#、2#闸孔泄洪水舌挑距分别为12.00 m和12.30 m，相差较小，相对Y型河道水流交汇对2#闸孔挑距影响不大，同时左右岸挑距入水较均匀，冲刷位置分布较平均，对两岸冲刷影响较小。

3.4 下游河道流速

为研究下游河道水平断面流速分布情况，对Y型河道溢流坝泄洪数值模拟得到流速情况，通过tecplot软件对下游河道Z=20.00 m处水平进行切片处理[6]，得到流速分布云图，见图5。

图5 下游河道流速

根据图5可知，下游河道最大流速为28.00 m/s主要集中在河道中央，最小流速均匀分布在下游河道周边，因此对于Y型河道，由于水流交汇处水流较集中能量巨大，对下游河道中央影响较大，建议在此类河道中设置消能坎。

4 结 论

为研究Y型河道水流交汇对溢流坝泄洪水流特性影响，本文采用Flow-3D软件对Y型河道水流溢流坝泄洪进行数值模拟，得到以下结论。

(1)由于Y型水流的汇聚，水舌挑流均匀的分布在河道中央，对两岸河道冲刷影响较小。流速从闸孔底部到上部依次增大， 1#、2#闸孔流速分布规律相同且最大流速8.80 m/s。

(2)1#、2#闸孔泄洪水舌挑距相差较小，Y型河道水流交汇对2#闸孔挑距影响不大，同时左右岸挑距入水较均匀，冲刷位置分布较平均对两岸冲刷影响较小。

(3)下游河道最大流速为28.00 m/s，主要集中在河道中央，最小流速均匀分布在下游河道周边，因此对于Y型河道,由于水流交汇处水流较集中能量巨大，对下游河道中央影响较大，建议在此类河道中设置消能坎。