基于Flow-3D的消力池内消力坎设置的必要性与高度优化研究

齐 坤

（辽宁观音阁水力发电有限责任公司，辽宁 本溪 117100）

1 工程概况

赵家堡子水电站属于辽宁省规划建设的重要小水电工程，同时也是爱河梯级开发的重要工程，坝址位于辽宁凤城石城镇境内的爱河上游。赵家堡子电站属于一座以发电为主，兼具防洪和养殖等综合水利工程。电站为径流式电站设计，装机总容量为16800 kW，设计库容1550万m3，工程等别为Ⅲ等，主要水工建筑物级别为3级，设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为千年一遇。水电站工程主要由大坝、引水系统和电站厂房构成[1]。电站大坝为混凝土闸式溢流坝设计，坝顶高程241 m，最大坝高24 m。大坝由12个坝段构成，从左向右分别为非溢流坝段、5孔泄洪闸坝段、左导墙坝段、主机间坝段以及安装间坝段。其中，5孔泄洪闸坝段中墩墩头采用两个圆弧曲线组合，半径8.5 m，墩尾为齐尾型设计。边墩的墩头为圆弧曲线，半径为8.5 m。泄洪闸坝段下游设计为底流消能，消力池长100 m，宽90 m，消力池底板高程227.50 m，底板厚度为3.5 m。由于闸坝设计在不同重现期洪水条件下，上下游水位的变动幅度较大，因此消力池的设计存在一定难度[2]。

2 数值计算模型

2.1 计算模型的建立

研究中选择商用CFD流体分析软件Flow-3D进行计算模型的构建[3]。首先，以工程设计资料为依据，利用AUTO CAD软件建立1∶1三维几何模型，建模的范围为泄洪闸上游30 m至消力池出口下游100 m，涵盖了泄洪闸闸室、消力池以及消力池下游部分河道[4]，几何模型的总长度为310 m。泄洪闸的单孔宽度为14 m，闸墩宽度为5.0 m，因此几何模型的宽度为90 m。对构建的几何模型利用尺寸为0.9 m×0.9 m×0.9 m的正交网格进行计算单元划分，在消力池的消力坎部位使用尺为0.5 m×0.5 m×0.5 m的网格进行加密[5]。最终，模型划分为3102580个计算单元，3544238个计算节点。定义泄洪闸闸室的进口断面、边墩以及地板平面的交点为坐标原点，以指向下游的方向为X轴正方向，以竖直与X轴指向右岸的方向为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。

图1 几何模型与网格剖分示意图

2.2 边界条件

模型的流体的体积分数设定为0，上游采用流量边界条件，水位高度设定为237.2 m，下游为压力出口条件，水位高度设定为225.5 m，模型的壁面条件设定为无滑移边界条件；模型的顶部为压力边界条件，模型的底部和两侧均设定为壁面条件，为了缩短计算时间，在计算的初始时刻分别在模型的上下游设置一块水体[6]。计算过程中的压力求解器选择GMRES算法，计算结果输出的时间间隔设定为2 s，初始时间步长设定为0.0001 s，模型输出的数据主要有流速、压力、水面高程以及水体的体积分数等。

2.3 计算工况设计

为分析消力池内的消力坎高度对水流的影响，并由此获得最佳消力坎高度，结合工程设计的实际特点和要求以及相关工程设计经验[7]，在闸室的中间坝坝下0+84 m部位设置不同高度的直墙式消力坎，坎顶的高程分别为230.5 m（方案1）、231.5 m（方案 2）和 232.5 m（方案 3）坎高分别为 3.5 m、4.5 m和5.5 m，消力坎为斜坡式布置，在消力坎后设置1∶1的斜坡。为了进一步获取消力坎的作用，将不设消力坎设计作为对比工况。

3 计算结果与分析

3.1 中孔剖面流态

利用上节构建的数值模型，对不同消力坎高度下的中孔剖面流态进行模拟计算。由计算结果可知，在没有设置消力坎的对比方案下，下泄水流产生水跃，位置位于消力池的中后部位。在设置消力坎的条件下，由于消力坎的阻挡作用，下泄水流在消力坎和尾坎部位产生两次水跃，消力坎作用下的强迫水跃可以显著增加下泄水流的能量消耗，说明设置消力坎是极为必要的。具体来看，方案3条件下泄洪闸出口部位水位即开始雍高，首次水跃为淹没式水跃并进入闸室，容易造成闸室振动，不利于工程的安全稳定；方案2条件下为微淹没水跃且没有进入闸室，产生的部位距离闸室17 m左右；在方案1条件下，水流受到消力坎的阻挡作用较弱，因此产生的是远驱式水跃。由此可见，方案2条件下的流态最为平稳。

3.2 消力池平面流速

利用上节构建的模型对消力池底板部位的流速进行模拟计算，并根据计算结果绘制出图2～图5的消力池底板流速分布图。由图可知，在方案1～方案3条件下，泄水水流进入消力池后，沿着消力池的底板潜行，在消力坎的阻挡作用下产生纵向回流，随着消力坎高度的不断增加，回流和主流之间的冲撞作用愈加明显，在消力坎的下游部位，水跃产生的水舌在接触消力池底板之后向四周扩散，产生横轴漩涡。在对比方案下，由于没有设置消力坎，因此消力池内没有纵向回流，并在尾坎部位跃起，由于水流没有较多的能量消耗，整个消力池内的流速明显偏大，这也说明了设置消力坎的必要性和有效性，同时消力坎的高度越高，水流的紊动现象越明显，而消力池出口的流速也越小。

图2 方案1底板流速分布图

图3 方案2底板流速分布图

图4 方案3底板流速分布图

图5 对比方案底板流速分布图

3.3 水流湍流耗散率

利用构建的数值计算模型对三种计算方案和对比方案条件下的消力池底板部位的水流湍流能量耗散率进行计算，结果见图6～图9。由图中的计算结果可知，下泻水流在遇到消力坎之后，受到阻挡作用的影响，在消力坎后产生十分剧烈的紊动现象，在向两侧翻滚和混掺的过程中形成漩涡，具有较大的能量耗散率，对消力池的消能作用发挥十分有利。在对比方案中，消力池中的水流速度较快且比较均匀，因此水流的能量也呈现出均匀消耗和整体性紊动的状态，对下游明显不利。因此，设置消力坎可以将水流的大部分能量消耗在消力坎部位，有助于消力池后段和池下游水流紊动性的减小。

图6 方案1能量耗散率

图7 方案2能量耗散率

图8 方案3能量耗散率

图9 对比方案能量耗散率

3.4 弗劳德数与消能率

利用模拟结果对不同计算工况下的弗劳德数与消能率进行计算，结果见表1。由表1的结果可知，消能率会随着消力坎高度的增加而增加。对下泻水流的自由水跃而言，一般弗劳德数越大，消能效率越高。从计算结果来看，弗劳德数随着消力坎高度的增加而减小，但是消能率并没有下降。究其原因，主要是消力坎高的增加会加大对水流的阻碍作用，而主流和回流的碰撞作用明显增强，同时，尾坎部位的二次水跃也会进一步消除水流的余能，因此总消能率并没有因之降低[8]。从不同方案的对比来看，方案2和方案3的效能率明显大于方案1，但是方案3相较于方案1，消能率的提升并不明显。

表1 不同方案的弗劳德数和效能率计算结果

3.5 消力池出口断面流速

利用模型的模拟计算结果，绘制出图10所示的消力池出口断面流速与水深关系图。由图9可知，设置消力坎对降低消力池出口流速具有十分显著的作用。从不同消力坎高度方案的结果对比来看，方案2和方案3明显优于方案1，平均流速明显偏小。但是，方案3的表层和底层流速差距较大，容易诱发表层水流波动，不利于下游边壁的安全稳定。因此，方案2为最优方案。

图10 消力池出口相对流速分布曲线

4 结论

以辽宁省赵家堡子水电站为例，利用数值模拟的方法研究泄洪闸下消力池内设置消力坎的必要性，并进行了消力坎高度的优化，获得的主要结论如下：

（1）从数值模拟获得的流态、流速、能量耗散率以及消能率等水力学参数来看，在消力池中设置消力坎有助于有助于控制水流紊动、降低消力池出口流速并提高消能率，因此具有设置的必要性。

（2）从不同消力坎高度设计方案的流态、消能率、出口断面流速以及工程造价等多种因素的综合考虑，方案2具有比较明显的优势，因此本工程选择方案2，也就是高度为4.5 m的消力坎最为合适。