臺(tái)階式溢洪道泄流數(shù)值仿真研究

黃繼艷

（凌源市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，遼寧朝陽122500）

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臺(tái)階式溢洪道泄流數(shù)值仿真研究

黃繼艷

（凌源市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，遼寧朝陽122500）

摘要：臺(tái)階溢洪道水力特性的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，通過CAD2012對某臺(tái)階溢洪道進(jìn)行了三維建模，采用ICEM進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，同時(shí)利用FLUENT軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)兩方程紊流模型、VOF模型進(jìn)行了邊界與自由水面處理，最終實(shí)現(xiàn)了對臺(tái)階溢洪道泄流數(shù)值仿真，獲得了水流流態(tài)、臺(tái)階紊動(dòng)耗散率、紊動(dòng)能、臺(tái)階壓力與流速等結(jié)果。

關(guān)鍵詞：臺(tái)階式；溢洪道；泄流；數(shù)值模擬

水利工程中臺(tái)階溢洪道得到了較為廣泛的應(yīng)用。由于臺(tái)階溢洪道將泄流和消能設(shè)施集于一體，因此能夠有效的降低溢洪道出口收縮面的流速，進(jìn)而縮減下游消能設(shè)施的規(guī)模，不僅消能效果好，并且造價(jià)低。為使臺(tái)階溢洪道更好的在水利工程中應(yīng)用，研究臺(tái)階溢洪道水力特性就具有十分重要的意義?，F(xiàn)階段其研究方法主要包括物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。本文采用數(shù)值模擬法對某水庫臺(tái)階溢洪道水力特性進(jìn)行研究。

1　工程概況

某Ⅳ等小（1）型水庫，總庫容量227萬m3，校核洪水位1427.3m，設(shè)計(jì)洪水位1427.3m，正常蓄水位1427m，大壩壩頂高程1430m，最大壩高44m。該河流屬季節(jié)性河流，河上無調(diào)蓄工程。大壩壩址為“V”型河谷，結(jié)構(gòu)對稱，主要包括河床溢流壩段，左、右岸非溢流壩段。樞紐以上主河道長度為26.5km，河道的平均比降為16.7‰，控制匯水面積約為217km2。左岸非溢流壩段壩頂高程為1430m，非溢流壩段沿著壩軸線長度為28.2m，壩頂寬度4.8m。河床溢流壩段位于2#～3#壩段，沿著壩軸線的長度為32.4m。壩體上游面高程和上述非溢流壩段一致。右岸非溢流壩段壩頂高程1430m，沿壩軸線的長度39.20m，頂寬4.8m。右岸的泄洪洞選取“龍?zhí)ь^”的形式和進(jìn)水口連接，其中進(jìn)水口底板高程1402m，厚度為2m，口高4m，寬4.5m。進(jìn)水塔墩頂高程1430.00m。在7—9月主汛期，當(dāng)水位超過水庫汛限水位以后，泄洪建筑物均打開閘門敞泄。

2　數(shù)值模擬相關(guān)算法與軟件應(yīng)用

2.1 紊流數(shù)學(xué)模型

紊流是常見的一種流體自然現(xiàn)象，目前主要采用Navier-Stokes方程進(jìn)行紊流的描述，通過Reyno1ds平均法的應(yīng)用，從一定程度上減少了直接數(shù)值模擬的計(jì)算量［3］。實(shí)際工程應(yīng)用中，渦粘模型的兩方程模型應(yīng)用較廣，Z變量的微分方程可表示為統(tǒng)一形式［4］公式（1）：

當(dāng)Z不同時(shí)，表達(dá)式中的各個(gè)參數(shù)也不同，主要體現(xiàn)在源相與擴(kuò)散相。在兩方程模型中最基本的標(biāo)準(zhǔn)方程為k-ε模型，k為湍動(dòng)能，ε為耗散率。經(jīng)大量的流場計(jì)算與工程實(shí)際模擬，大多數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

2.2 離散方法與方程離散

有限體積法是常用離散方法中的一種。有限體積法將物理量存儲(chǔ)在網(wǎng)格單元中心點(diǎn)上，同時(shí)將單元視為圍繞中心點(diǎn)的控制體積；或者將物理量在真實(shí)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行定義與存儲(chǔ)，并在節(jié)點(diǎn)周圍進(jìn)行控制體積的構(gòu)造。其在實(shí)施中將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，計(jì)算網(wǎng)格，形成多個(gè)相互間獨(dú)立的子區(qū)域，然后確定各子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)與控制體積［5］。

方程的離散研究采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與控制體積法，實(shí)現(xiàn)任意控制體積上的變量φ積分，并獲得一個(gè)給定控制體中的離散［6］見式（2）：

2.3 流動(dòng)進(jìn)口、出口邊界條件

流動(dòng)進(jìn)口邊界條件主要包括了速度、質(zhì)量和壓力進(jìn)口邊界，研究中對指定流動(dòng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。速度進(jìn)口中給定進(jìn)口流速，壓力進(jìn)口中給定壓力，其中在參考壓力的設(shè)定中，流程計(jì)算壓力為相對值，由于k與ε將影響收斂速度，因此應(yīng)重視k 與ε的設(shè)定，這也是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型使用的重要一步。k與ε估算值見式（3）：

流動(dòng)出口位置除壓力以外的所有變量梯度均為零，而k與ε的設(shè)置與進(jìn)口邊界條件一致。

2.4 壁面邊界條件與自由液面處理

由于近壁區(qū)內(nèi)流體Re數(shù)比較低，因此標(biāo)準(zhǔn)kε模型（高Re）并不適合，因此選擇低Re數(shù)k-ε模型［7］。自由液面處理較為復(fù)雜，本研究中采用體積率法，即VOF模型處理。VOF模型的水相與氣相服從同一動(dòng)量方程，但體積分?jǐn)?shù)為相互獨(dú)立變量，因此可根據(jù)連續(xù)方程對自有水面進(jìn)行追蹤，采用VOF方法追蹤水面，并由容積分?jǐn)?shù)的函數(shù)來對紊流模型的進(jìn)行確定。

選擇CAD軟件進(jìn)行建模。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是采用電子計(jì)算機(jī)來完成數(shù)值的計(jì)算與圖像的顯示，并對流體流動(dòng)物理現(xiàn)象與問題進(jìn)行分析。其軟件的應(yīng)用包括了前處理、求解與后處理三個(gè)階段，本研究中前處理選擇專業(yè)CAD的ICEMCFD前處理軟件，然后采用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算求解，最后由TECPLOT后處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

3　數(shù)值模擬過程與結(jié)果

采用CAD2012進(jìn)行臺(tái)階溢洪道三維建模，模型包括上游與下游河道，臺(tái)階段、過渡段、WES曲線堰以及反弧段，見圖1。

圖1　臺(tái)階溢洪道三維模型

研究采用ICEM的四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格間距0.8m，并對臺(tái)階面網(wǎng)格進(jìn)行了加密，間距為0.2m，臺(tái)階上部網(wǎng)格逐層加密，加密4層，比例因子1.2。網(wǎng)格劃分完成后，網(wǎng)格總數(shù)為160萬，經(jīng)檢查整體質(zhì)量較好，見圖2。

圖2　網(wǎng)格劃分

整個(gè)模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程紊流模型計(jì)算，采用有限體積法控制方程的離散，自由水面追蹤選擇采用VOF法，并使用SMPLE法完成速度壓力耦合，前期計(jì)算采用一階迎風(fēng)離散格式計(jì)算對流項(xiàng)，在后期基本收斂后采用二階迎風(fēng)，提高計(jì)算精度。

通過數(shù)值模擬，我們獲得以下結(jié)論：

（1）采用兩方程紊流模型模擬臺(tái)階溢洪道復(fù)雜流場，采用VOF法對自由水面方式進(jìn)行追蹤是可行的，可作為實(shí)際的工程的參考。

（2）該河流臺(tái)階溢洪道水流流態(tài)為滑行水流流態(tài)，水流存在較為明顯的分層現(xiàn)象，并且臺(tái)階內(nèi)產(chǎn)生順時(shí)針漩渦，漩渦中水流速度從

零向四周逐漸增大。圖3為校核洪水工況下臺(tái)階溢洪道的水流流態(tài)，圖4為不同工況下臺(tái)階溢洪道中剖面水流流態(tài)。由此可見該臺(tái)階溢洪道水流比較平順，豎直面上摻氣逐漸增多。

圖3　校核洪水工況下臺(tái)階溢洪道的水流流態(tài)

圖4　不同工況下臺(tái)階溢洪道中剖面水流流態(tài)

（3）在臺(tái)階上紊動(dòng)耗散率在滑行水流流態(tài)時(shí)，與紊動(dòng)能分布規(guī)律基本一致，并以臺(tái)階凹角為中心逐漸向四周擴(kuò)大，而紊動(dòng)耗散率則在凸角上最大，紊動(dòng)能在臺(tái)階凸角兩側(cè)最大。

（4）臺(tái)階豎直面的上部負(fù)壓區(qū)存在，而隨著臺(tái)階的下移逐漸減小，最大正壓在臺(tái)階的底部出現(xiàn)，并沿著豎直面逐漸減小，成為負(fù)壓，進(jìn)而負(fù)壓逐漸增大。在臺(tái)階水平面上，基本是正壓，但仍有較小的負(fù)壓出現(xiàn)在臺(tái)階凸角處，壓力分布從臺(tái)階凹角處沿著水平面為先減小后增大，在達(dá)到最大后迅速減小，負(fù)壓可能出現(xiàn)。

4　結(jié)論

本研究中河流臺(tái)階溢洪道水流流態(tài)為滑行水流流態(tài)、臺(tái)階內(nèi)產(chǎn)生順時(shí)針漩渦，紊動(dòng)耗散率在滑行水流流態(tài)時(shí)，與紊動(dòng)能分布規(guī)律基本一致，臺(tái)階豎直面的上部存在負(fù)壓區(qū)，局部壓力變化。臺(tái)階溢洪道水流特性十分復(fù)雜，本研究就其中的一些問題展開了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過數(shù)值模擬的應(yīng)用，能夠?yàn)閷?shí)際工程起到一定的參考作用，但針對復(fù)雜的臺(tái)階溢洪道水流特性，本研究還存在一定的不足與限制，還需要進(jìn)一步的深入研究多方面的問題。

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作者簡介：黃繼艷（1976年—），女，工程師。

收稿日期：2015-06-05

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.015

中圖分類號(hào)：TV135

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）03-0039-02