差动式挑流鼻坎反弧段三维建模研究

虞佳颖，刘进宝，陈建旭 ，万 伦，罗 旭

(1. 浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.西昌学院，四川 西昌 615013；3.宜宾市长宁县水利局，四川 宜宾 644300； 4.国电大渡河检修安装有限公司，四川 成都 610000)

为确保水库大坝和人民群众的财产安全，汛期泄水建筑物承担着重要作用。2020年，三峡水库首次开启十一孔泄洪，下泄流量达到49200m3/s；新安江水电站首次九孔全开。下泄水流的巨大能量，容易对下游河床产生冲刷坑[1]，不利于泄水建筑物的稳定。因此大多采用挑流消能形式予以消除。在研究挑流鼻坎的挑距等水力特性时，数值模拟研究手段具有节省水工模型试验成本、计算耗时短、计算结果可靠性高等优势。

挑流鼻坎根据形状不同，分为连续式、差动式、窄缝式、扩散式[2- 4]。其中连续式挑坎最为简单，消能效果相对较差，高速水流下泄时容易产生空蚀空化。目前水工设计手册中普遍采用的挑射距离估算公式[5- 6]和冲刷坑深度计算都是基于最基础的连续式挑坎。随着新型挑坎的发展，不同反弧半径、高低坎的挑角取值，对挑流鼻坎的水力特性[7]有所影响。因此，研究新型挑流鼻坎的体型参数对研究消能效果有重要意义。

已有一些学者采用数值模拟手段对挑流消能开展研究。闫谨[8]等人采用RNGφ=9.8；c=12.2 湍流模型对扭曲斜切型挑坎进行多相流的数值模拟，得到了与模型试验吻合度较高的水舌挑距和挑高；施小金[9]用CAD软件建立小湾河台阶溢洪道的三维模型后，利用ICEM CFD软件划分网格，然后按定常流进行数值模拟，发现台阶上的湍动能以及湍动能耗散率分布规律大致相同，并得到台阶的负压区分布位置，进一步探求减少空蚀空化发生的方案。

虽然前人已对挑流鼻坎展开数值模拟研究，但所建立的数值模型大多采用CAD软件，而CAD软件本身更适合于二维图纸的绘制。在三维建模方面并不具有优势。本文采用Gambit软件三维建模，有利于构建挑流鼻坎的反弧曲线段，为挑流消能的数值模拟研究提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

本文以龙兴桥水库为例研究建模，该水库位于浙江省杭州市余杭区。水库枢纽工程包括黏土心墙坝、围堤、溢洪道及放水设施等。溢洪道位于大坝右坝肩处，放水设施布置在溢流堰右侧。

1.2 溢流堰情况

曲线形状的溢洪道位于大坝右侧山坳间，现有溢洪道堰顶高程17m，溢流堰堰腹采用浆砌石浇筑，溢流堰底宽为7m，溢洪堰横剖图如图1所示。可从图1中看出溢流堰高约为6.8m，溢流末端采用连续式挑流鼻坎。

图1 溢洪堰横剖图

因为仅对溢流堰的挑流鼻坎进行三维建模，与大坝上下游坡比等因素无关，所以可将上述工程实例进一步简化，如图2所示，仅保留溢流堰的体型参数的几何尺寸。

图2 原型连续式挑坎断面图

连续式挑坎的挑脚取值为20°，并且反弧半径段为曲线，考虑到与溢流堰堰面的衔接，此处为三维建模的重点和难点所在。

2 原型挑坎的三维建模

2.1 原型挑坎的二维计算区域

从溢流堰顶取计算区域，速度进口考虑到设计洪水位，因此和压力进口预留0.5m的高度。加上溢流堰的高度约为6.8m，因此整个二维计算区域的竖向高度为7.3m。保持工程实例中溢流堰面坡比和反弧半径、挑脚为20°不变，坎顶的高程为12.17m，下游河道高程与溢流堰底部保持一致，均为10.2m。为研究下游河道的水流情况，先采用式(1)估算挑流水舌外缘挑距，然后建模时预留5m的下游河道长度。考虑到溢流堰的原长为7.39m，因此二维计算区域在纵向上的长度为12.39m。闭合计算区域如图3所示。

图3 原型连续式挑坎的二维计算区域

挑流消能的水力设计包括计算水舌挑距。挑流水舌外缘挑距估算公式如下：

(1)

式中，L—挑流水舌外缘挑距，m，自挑流鼻坎末端算起至下游沟床床面的水平距离；v1—鼻坎坎顶水面流速，m/s，可取鼻坎末端断面平均流速v的1.1倍；θ—挑流水舌水面出射角，(°)，近似为鼻坎挑角，本文取20°；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎顶至下游沟床高程差，m，如计算冲刷坑最深点距鼻坎的距离，该值可采用坎顶至冲刷坑最深点的高程差。

2.2 原型挑坎的三维计算区域

将CAD中的二维平面图输出文件格式选定为ACIS。打开Gambit时，选择Working Directory 为二维图纸保存的路径，导入并打开。在界面右侧选择默认的Operation中选择Geometry，然后选择Volume中选择Sweep Faces(扫略面成体)。然后勾选要扫略拉伸的蓝色面，选定Path为Vector(矢量)，因为要将纵剖面图沿着Z轴正向拉伸。再用Define定义扫略的长度，即溢流堰宽度。

按照上述方法可以生成体Volume 1是溢流堰计算域的外缘总轮廓体，而Volume2为连续式溢流堰的本身形状。再选定Unite Real Volumes，将两个实体模型合并求差。

在Geometry下的第一个选项Vertex(点)，可以获得某点的具体坐标位置，即可得目前整体模型与三维坐标原点之间的距离，然后将整体模型通过Volume下的Move/Copy Volume 选项移动到三维坐标原点。将模型命名输出model A.x_t格式文件保存。具体原型挑坎三维计算域如图4所示。

图4 原型挑坎的三维计算域

2.3 计算区域命名

注意将速度进口velocity inlet和压力进口pressure inlet进行区分，计算区域的四边都命名为边界boundary ，对于溢流堰堰体则可以命名为wall，按照直线段或反弧半径的曲线段分别命名为wall1，wall2，依次类推。出流为outflow，即自由出流。

3 差动式挑坎的三维建模

3.1 差动坎的二维图纸

结合差动坎的体型，需要预先勾画两个不同的面进行三维拉伸，面的绘制方案见表1。

表1 差动坎建模的预设面

差动式挑坎的二维计算区域如图5所示，依据上述的绘图要求，所包含了两个预设面Face1 和Face2。区别主要在于面的局部线条有重合，但在挑角处有不同。拉伸后流经两个不同面的水流将会产生不同的挑出射流，因此达到撕裂水舌的效果。

图5 差动坎的二维计算区域

3.2 差动坎的三维模型

对预设面分别进行拉伸。考虑到差动坎的宽度需要和原有连续式挑坎保持一致，因此设置两个差动坎，各自宽度2m，三个零度出射的宽度为1m。注意间隔布置需要在建模软件中依次完成。最后将五个拉伸体积合并，即可完成。最终的建模如图6所示。

图6 差动坎的三维模型

4 结语

本文基于连续式挑坎的工程实例，首先对原型挑流鼻坎进行三维建模，然后推广到更复杂的差动式挑坎。通过对差动式挑流鼻坎反弧段的建模研究，可得出如下结论：

(1)利用二维图纸进行挑流鼻坎的平面图绘制，然后再用Gambit软件进行拉伸三维建模是可行的，尤其适合曲线等反弧段的绘制建模。

(2)在普通连续式挑坎的基础上，可运用三维建模软件更改为差动式挑坎，为调整消能方案提供参考借鉴。

(3)差动式挑坎的三维建模可以更改反弧半径、挑射角度等体型参数，有利于设置多组不同体型参数的挑坎对比研究消能效果。

(4)Gambit的三维建模需要预设面，并注意依次拉伸，最后一步合并多个拉伸体，才能形成闭合完整的计算区域。