多闸孔溢流坝小流量泄洪消能闸门调度优选方式研究

2020-06-18胡海松罗居刚郭红民

中国农村水利水电 2020年2期

胡海松，罗居刚，严锐，郭红民

(1.安徽省建筑工程质量监督检测站，合肥 230000，2.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽蚌埠 233000；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002)

0 引言

由于多闸孔溢流坝泄洪时水流在坝面相互撞击、交汇紊动，对大坝下游两岸及河道产生冲刷等不利影响，因而多闸孔溢流坝闸门调度一直是水利工程研究领域关注的问题。随着计算流体力学和计算机科学的快速发展，数值模拟相比物理试验对流体运动研究更加细致，可以得到整体和局部的细致运动情况[1]。国内外学者在不同方面对闸门调度运行进行数值模拟研究，对于闸门调度复杂的水力学参数研究更加准确高效，如Bertrand-Krajewski J L[2]通过研究管道液压闸门冲刷的水流形态，发现闸门开启的高度对水流紊动强度影响很大。沙海飞[3]采用有限体积法对多孔闸门的溢洪道进行数值模拟研究，得出泄流流速、溢洪道水面线、时均压力分布相关性。郑毅[4]采用二维水动力学模型计算上游来流量、闸门开度和相应下游水位关系，准确可靠切节约计算周期。以上学者的研究为本文利用Flow-3D软件对多闸孔溢流坝小流量泄洪闸门调度优选方式进行研究，提供了实践和理论基础。

而对于小流量下溢流坝泄洪消能闸门开启方式很难控制，本文主要以某水库多闸孔溢流坝为例进行数值模拟研究，得到小流量下该溢流坝闸门调度运行优化方式，同时为类似的工程研究提供参考。

1 工程概况

某水库多闸孔溢流坝正常蓄水位为560 m，溢流堰顶高程554 m，坝顶高程为570 m，坝河床建基面高程为520 m，堰上设5孔对称9 m×6 m(宽×高)的平板闸门。下游采用挑流消能，反弧半径为20.0 m，挑射角为15°，挑流鼻坎顶高程539.00 m。具体工程布置见图1。

图1 工程布置图Fig 1 Engineering layout

2 数学模型建立及验证

2.1 控制方程

RNGk-ε模型是经过了改进和实用化的处理的模型，在计算功能上强于标准k-ε模型且考虑旋转效应，模型中包含计算湍流Prandtl数的解析公式，并且对近壁区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应[5]。因此本数值模拟选择N-S方程，建立溢流坝及概化河道地形模型，基本方程包括连续方程、动量方程、紊动能k方程、紊动能消耗率ε方程[6]。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

紊动能k方程：

(3)

紊动耗散率e方程：

(4)

紊动黏性系数表达式：

μt=ρCμk2/ε

(5)

式中：u、v、w表示在x、y、z三个轴方向的流速分量；Ax、Ay、Az代表x、y、z3个轴方向上的可流动的面积分数；Gx、Gy、Gz是x、y、z3个轴方向的重力加速度；fx、fy、fz是x、y、z3个方向的黏滞力；VF是可流动的体积分数；ρ是流体密度；P是作用在流体微元上的压力；ε是紊动能耗散率；μt是紊动黏性系数；Cμ是经验常数为0.084 5；αk、αε为湍动能和耗散率，对于得Prandtl数σk=αε=1.39；C1ε=1.42、G2ε==1.68。

(6)

η=(2EijEij)0.5k/ε

(7)

(8)

式中：η0=4.377，β=0.012，k为紊动能[7]。

2.2 自由表面处理

对自由表面追踪Flow-3D软件运用VOF数值法，对于整体域某个单元网格，F=0代表该单元网格是个空单元无流体；F=0～1代表该单元网格被流体不完全充满；F=1 代表该单元网格被流体完全充满[8]。

体积函数F：

式中：F为流体体积函数；VF可流动的体积分数Ax、Ay、Az流动方向的面积，u、v、w表示在x、y、z3个轴方向的流速分量。

2.3 网格划分及参数设置

(1)网格划分。X轴方向上为0～440 m(上游河道0～200 m，其中溢流坝段200～245 m，下游河道245～440 m)；Y轴方向上为0～200 m；Z轴方向上为0～70 m，网格划分采用非结构形式，非加密区网格大小为1.8 m，网格数量约为100万；在溢流坝局部加密，网格大小为0.25 m，网格数量约为1 000 万，整个模型的网格数量约为1 100 万，具体见图2。

图2 三维实体模型Fig.2 3D solid model

(2)参数设置。模型上游库区河道为进水口，设置为流量边界且上游初始水位H=560 m，下游河道为出水口，设置压力边界且下游初始水位H=530 m，模型底部、左右两岸设置固壁边界，模型正上方与空气接触设置大气压力边界。时间步长0.01 s，模型验证给定流量Q=1 690 m3/s。

2.4 模型验证

本模型为正态整体定床模型，按照流体力学相似准建立物理模型，模型几何比尺为1∶50，且通过CAD建立与此实际工程比尺为1∶1的几何模型[9]。运用Flow-3D软件模拟Q=1 690 m3/s时挑流泄洪的情况，将数值模拟的挑流流态、上游表面流线、溢流面水位高程、闸孔流速与物理模型试验结果进行验证，具体见图3、图4、表1。

图3 闸孔泄流流态Fig.3 Schematic discharge flow pattern

图4 溢流面水位Fig.4 Overflow surface water level

由图3、图4可知，正视图和右视图方向上的挑流形态、下游河道的水流流态和波动情况都基本相同，且实测值和模拟值的溢流面水位高程比较接近。根据表1可知，试验实测平均流速范围5.72～5.96 m/s，数值模拟平均流速范围5.76～6.00 m/s，数值模拟和试验值相对误差在0.67%～0.70%之间。综上对比验证分析可知，数学模拟建立准确度较高、摸拟效果较好，可以用于小流量泄洪闸门调度数值模拟研究的课题。

表1 溢流坝闸孔流速分布试验测量值Tab.1 Test results of flow velocity distribution of floodgate dam gate

注：将闸孔从右岸至左岸进行编号，记为1号、2号、3号、4号、5号。

3 小流量(Q=300 m3/s)泄洪闸门调度数值模拟

国外作者对小流量下平板闸门的水力学复杂流动过程的进行研究，发现相对大流量情况小流量对闸门的控制操作越难且组合调度种类多[10]。因此本文主要针对Q=300 m3/s小流量下闸门调度最优方式进行研究，设置同时开启2闸门且高度均为3 m，间隔开启：1-3、1-4、1-5、2-4，连续开启：1-2、2-3一共6种开启方式。分析在Q=300 m3/s小流量下闸门不同开启方式的的堰面流态、坝下河道流速、河底压强、消能率水力要素。

3.1 流态

根据下游河道河宽及溢流坝5个闸孔挑流的对应位置进行区域划分，分别为左1区、左2区、中区、右2区、右1区，具体划分见图5。

连续开启：开启1-3号孔水流受边墙少量的束缚且在坝面有交汇，水舌入水集中分布在河道右1区和中区之间；开启1-4号孔只有1号孔水流有边墙束缚且在坝面没有交汇，水舌入水集中分布在河道右1区、左2区两处；开启1-5号孔水流都有边墙的束缚且在坝面没有交汇，水舌入水集中分布在河道右1区、左1区两处；开启2-4孔水流都无边墙的束缚且在坝面有少量的交汇，水舌入水集中分布在河道右1区和左1区之间。

图5 挑流流态区域划分Fig.5 Flow path area division

图6 流态Fig.6 Flow state

间隔开启：开启1-2号孔水流有边墙的束缚且在坝面有交汇，水舌入水集中在河道右1区附近；开启2-3孔水流都无边墙的束缚且在坝面有大量的交汇，水舌入水集中在河道中区和右2区之间。

3.2 坝下河道流速

由图7可知，开启1-2号孔、1-3号孔、1-4号孔、1-5号孔最大流速都是19 m/s，而开启2-3号孔、2-4号孔的最大流速是18 m/s。其他区域流速在0.5～2 m/s范围内波动，分布较均匀。但是下游河道最大流速分布情况不同，开启1-2号孔、1-3号孔集中在近河道右2和中区之间，开启1-4号孔和1-5号孔集中在河道右2区、左2区两处，开启2-3号孔集中在河道中区附近，开启2-4号孔集中在河道右2区和左2区之间。

3.3 下游河底压强

图8是下游河底压强分布图，6种开启方式下开启1-2号孔、1-3号孔、1-4号孔的最大压强为60 kPa，而开启1-5号孔最大压强为59 kPa，开启2-3号孔、2-4号孔最大压强为58 kPa。对于开启1-2号孔和1-3号孔的压强最大值集中在河道右2区附近；开启1-4号孔和2-3号孔压强最大值集中在河道中区附近；开启1-5号闸孔压强最大值集中则在河道右2区、左2区两处；对于开启2-4号孔压强最大值集中在河道左2区与中区之间。

图7 坝下河道流速分布图Fig.7 Flow map of the river channel under the dam

图8 河底压强分布图(单位：kPa)Fig.8 River bottom pressure distribution map

3.4 消能率

根据消能率η计算公式[11]对数值模拟的结果进行计算，得到了不同开启方式下的挑流消能率，其中E1、E2为上、下游总能量，其中E1为A-A断面的能量、E2为B-B断面的能量，具体见图9。

图9 消能率计算断面Fig.9 Energy dissipation rate calculation section

根据计算结果消能率范围介于37.00%～39.70%之间，由于开启2-3、1-2号闸孔坝面水流有交汇、冲击能量减小多，而开启1-2、1-4、1-5、2-4号闸孔水流在坝面没有交汇，但是在水舌挑起后有不同程度的交汇、冲击相对能量减小的少，因此连续开启2-3号闸孔的消能效果相对较好。

4 结论

(1)正常运行水位Q=300 m3/s小流量下多闸孔溢流坝泄洪调度运行，开启2-3号闸孔进行调度，泄洪水流对下游河道冲刷影响度最小，挑流消能率最大为39.70%，坝面负压相对较弱为-0.25 kPa且范围较小。因此从保证挑流稳定、对河道冲刷影响较小及消能率相对较大上考虑，建议连续开启2-3号闸孔进行泄洪消能较优。