导流洞改建泄洪洞出口跌坎消力池水平入流水力特性数值模拟研究

刁 奕，杨思远，杨 敏

(四川农业大学水利水电学院，四川 雅安，625014)

1 绪言

为了避免传统底流消力池临底水流流速过高引起的冲刷甚至空蚀破坏问题，近年来，不少工程将入流处设计成一定高度的跌坎，形成跌坎入流消力池，并已有一些研究成果[1-7]。跌坎消力池体型的确定以往主要是通过大量的模型试验试错进行对比研究，从中优选合适方案推荐工程实施。跌坎消力池的入流角度对池内水流流态、底板临底流速的降低幅度和消力池消能效果有直接影响，成为跌坎消力池体型设计的重要控制指标。本文结合某中型水利工程导流洞改建泄洪洞，出口采用水平入流跌坎消力池消能进行三维数值模拟研究。分析了消力池的水流流态、消力池底板压力、流场、临底流速、紊动能分布等指标。

2 工程基本概况

本文研究的导流洞来源于某中型水利工程。校核工况采用1000年一遇(P=0.1%)洪水标准，对应流量Q=400m3/s，库水位779m，导流洞宽度8m，与新建泄洪洞同轴线布置，与前段新建的泄洪洞采用龙抬头方式结合。泄洪洞由进水渠道、隧洞段组成，隧洞横剖面为城门洞形。改建后的泄洪洞在出口设置跌坎消力池进行消能，泄洪洞出口入消力池宽度8m，消力池跌坎高度确定为2m，消力池底板高程736.75m，长度45m，尾坎高度为5.5m直坎。以校核标准洪水工况来确定跌坎消力池的体型。

3 数学模型

本文数值计算模型采用双方程模型[8]，控制微分方程有：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

紊动能k方程：

(3)

紊动能耗散率ε方程：

(4)

式中，ρ和μ分别代表计算单元中水气容积占比加权后的二相流平均密度及分子粘性系数；μt为紊流粘性系数

ρ=αwρw+(1-αw)ρa

(5)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(6)

式中，αw为水的容积分数，单元完全被水充满时，αw=1；单元完全无水时，αw=0；单元部分有水，αw值则介于0和1之间；ρw和ρa表示水和气的密度；μw和μa代表水和气的分子粘性系数。

4 网格划分及边界条件设定

本文计算网格主要采用结构化网格，只在实用堰段和洞与消力池衔接段边界较复杂的局部区域采用非结构化网格。消力池网格尺寸为0.3m～0.5m，其余区域网格尺寸为0.5m～0.8m，总网格量均控制在98万左右；进口设置为水相速度进口边界，顶上与大气相通的边界设置为开敞边界；出口控制断面按计算工况对应的下游水位进行水位控制。

5 数值模拟成果分析

图1-图5为水平入流情况下消力池内水流流态、底板压强、流场、临底流速以及紊动能分布。可以看出，水跃在跌坎入流处产生，由于水流水平入流，水流水平动量大，且高流速主流偏上消力池上层，将水体向下游平推的作用明显，消力池水流流态呈类似面流特征，水面波动较大，影响较远，池内中后部桩号295m至消力池尾坎前壅水明显；消力池底板最大临底流速在7m/s左右，出现在桩号290m～310m范围内，底板动水压力较小，消能主要集中在消力池前部。从本工况计算结果可以看出，水平入流对降低消力池底板临底流速是有利的，但消力池内水流波动大，消力池长度可能需要适当增加，需要相对较长的距离才会明显减小水流波动。

图1 水平入流消力池水流流态(y=0)

图2 水平入流消力池底板压力(y=0)

图3 水平入流消力池水流流场(y=0)

图4 水平入流消力池临底流速(Z=736.80m)

图5 水平入流消力池紊动能(y=0)

6 结论

本文对某中等水头具有代表性的导流洞改建泄洪洞出口跌坎消力池在水平入流角度下的消力池泄洪消能水力特性进行了三维紊流数值模拟研究，得到了消力池水流流态(水面线)、底板压力、流场、临底流速以及紊动能分布等水力特性参数。通过成果分析可以看出，水平入流有利于明显降低消力池底板临底流速，但消力池内水流波动大，影响距离相对较远，流态不稳定。结合跌坎高度、消力池长度、尾坎高度等体型参数、水流流态、底板对流速的承受能力以及工程投资综合平衡考量，导流洞改建泄洪洞出口跌坎消力池入流角度以小俯角入流为宜。