中隔墩对溢流坝挑流影响的数值模拟研究

胡海松，罗居刚

(1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，合肥 230088； 2.安徽省建筑工程质量监督检测站，合肥 230088)

1 研究背景及意义

在水利工程研究中，溢流坝是研究比较广泛的坝体，对于溢流坝挑流水利特性的研究是大多数学者关注的焦点。其中，比较典型的问题是受闸墩的影响，溢流坝坝面会产生水翅和空蚀空化问题[1],并且水流在坝面受中墩影响交汇和碰撞对坝体稳定性影响极大[2]。目前，向迁卿[3]通过在WES堰顶设置半圆形中隔墩，得出中隔墩对WES堰流量系数的影响主要体现在尾坎处能力损失。朱冬晋[4]通过对3种中墩体型进行研究分析，得出改变中墩形态能减轻水流在墩尾的对冲强度和有效消减水翅规模。王川[1]提出新型中墩尾墩的前后端面则为流线型曲线连接，可有效降低水翅高度和冲刷影响。

目前，国内外大坝建筑高度都在增加，体现在流量大、作用水头高等特点。对相同流量和水头高情况，为保证闸门启闭安全稳定，有必要在溢洪道中加设中墩、增设闸门数量，有效分解集中受力作用。加设中墩后，在溢洪道中墩后常会产生水翅并危害建筑物的安全[1]。因此，本文通过对前人研究文献进行分析，提出在中墩后加设沿坝面方向的中隔墩，通过分析加中隔墩前后溢流坝挑流水力学参数变化情况，可以降低水翅高度和闸墩后空蚀影响，为类似工程研究提拱理论基础。

2 模型建立

2.1 模型建立

以某实际两孔溢流坝为基础，按照模型测试技术水力学相似准则，概化地形建立三维正态物理模型，物理模型几何比尺为1∶30。为研究中隔墩对溢流坝挑流水力特性影响的相关规律，以该两闸孔溢流坝为例，依靠Rhinoceros 5建立三维几何模型，通过Flow-3d软件，将溢流坝挑流水力学问题通过软件进行数学迭代计算，三维几何模型见图1、图2。

图1 三维模型

图2 加中隔墩对比图

2.2 数学模型选择

目前，对于溢流坝挑流的水气二相流的冲刷问题，有RNGK-ε和K-ε两种数学模型。RNGK-ε模型在水流分析、计算功能、水气二相流方面要强于K-ε模型[5]，并且RNGK-ε模型对自由表面上拟合具有较好连续性[6]。模型的网格划分选择较稳定的结构化网格划分方法，同时对闸墩及溢流坝面进行加密处理，模型单元网格边长为0.85 m，网格总数约300万。

2.3 控制方程

Flow-3d是采用结构化矩形网格的FAVOR及Tru-VOF方法，可以通过数学方程迭代求解方式，模拟真实物理模型试验中的水流流动现象及各种流场介质[7]，因此迭代方程的选择影响模拟的准确性。本文的迭代方程式如下：

连续方程：

动量方程：

紊动能k方程：

式中：ui为XYZ轴上的流速分矢量；Ai为XYZ轴上流体的面积分数；gi为XYZ轴上的流体重力加速度；fi为XYZ轴上的流体黏滞力；Vf为流体的体积分数；ρ为流体密度；p为作用在流体上大气压力；k为流体紊动能；μ、μt分别为流体动力黏滞系数、紊动黏滞系数[6]。

2.4 边界及初始条件设置

边界条件：溢流坝上游进口设置压力边界且控制初始水位，溢流坝下游出口设置自由出流，模型左右及底部设置为固体边界，模型上方与大气面设置为大气压力边界。

初始条件：溢流坝挑流上游初始水位为108 m，溢流坝下游初始水位为50 m；模拟的整个过程给定流量Q=300 m3/s，初始步长S=0.01 s。

2.5 模型的验证

数学模型及迭代计算方程建立的准确性需要进行验证，为保证数值模拟的可靠性，将数值模拟结果与试验结果进行对比。本文主要将数值模拟溢流面水面线及流速与实验结果进行验证，见图3和图4。

图3 水面线

图4 挑流流速

在Q=300 m3/s时，验证溢流坝挑流水面线和流速，将实验得到的水面线和流速进行整理，通过CAD点对点绘制在流态的云图上。由图3可知，实测水面线略高于数值模拟结果，原因是数值模拟概化边墙没有考虑摩擦系数对水面线影响，但模拟结果基本吻合。由图4可知，实测流速与数值模拟结果比较接近。因此，所建几何模型和选取的数学方程准确可靠，可以模拟加中隔墩对溢流坝挑流水力参数的影响问题。

3 数值模拟分析

3.1 流 态

由图5可知，溢流坝挑流水流在尾坎处交汇，整体挑流进入下游河道，水流流态在下游呈紊乱状态。

图5 流 态

加中隔墩后，水流在闸墩后空化长度减小，两股水流碰撞程度减小，水流较稳定地在尾坎处汇合挑流进入下游。因此，加中隔墩有利于减缓溢流面上水流碰撞，提高水流挑流稳定性。

3.2 水面线

由图6可知，水流整体沿着溢流面在尾坎处进行上挑，将水流整体挑流到离坝体较远处，防止坝址处被冲刷，有利于坝体稳定。在溢流坝水平出流段，两水面线几乎相同；在溢流面直线段加中墩隔墩后，水面线明显下降；在溢流坝面反弧段，两水面线趋于相同。由此可知，加中隔墩后可以降低溢流坝面直线段水面线，对挑流水翅减缓影响不大。

3.3 坝面压强

由图7可知，沿X轴方向坝面压强呈先下降后上升再下降的趋势，在溢流坝直线中段出现负压，这影响坝面的稳定性。加中墩后，整体坝面压强变化不大，但在溢流面直线段负压由-0.5 kPa增加到-0.3 kPa，降低了负压对坝面空蚀空化的影响。

图6 水面线

图7 坝面压强

4 结 论

1) 通过模型验证可知，FLOW-3d在模拟溢流坝挑流问题具有较高的准确性，并且在方案比选上，快速准确、经济可靠。

2) 加中隔墩后，水流在闸墩后空化长度减小，同时两股水流碰撞程度减小，水流较稳定地在尾坎处汇合挑流进入下游，有利于减缓溢流面上水流碰撞，提高水流挑流稳定性。

3) 加中隔墩后，可以降低溢流面直线段水面线，对挑流水翅减缓影响不大，但可以有效降低负压对坝面空蚀空化的影响。