基于FLOW-3D軟件的滁州城西水庫(kù)北溢洪道復(fù)雜消能工數(shù)值模擬

王登贇

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）第六設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

消能工是消除泄水建筑物或落差建筑物下泄急流的多余動(dòng)能，防止或減輕水流對(duì)水工建筑物及其下游河渠等的沖刷破壞而修建的工程設(shè)施，常規(guī)的消能設(shè)施有挑流消能、底流消能等。在消力池內(nèi)設(shè)置消能墩或齒墩等輔助消能工，可以有效減短消力池池長(zhǎng)和池深。

鑒于上述情況，若將底流消能改建成底流消能+消能墩聯(lián)合消能，在墩后形成渦流，加強(qiáng)水躍中的紊流擴(kuò)散，可對(duì)提高消能效率起到十分積極的作用，在經(jīng)濟(jì)上也十分有利。

1 北溢洪道工程概況

城西水庫(kù)工程于1958年動(dòng)工興建，1965年基本建成投入運(yùn)行，2010年再次進(jìn)行除險(xiǎn)加固，現(xiàn)已竣工，集水面積168 km2，總庫(kù)容為7112萬(wàn)m3，按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，5000年一遇洪水校核。城西水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、灌溉涵洞、非常溢洪道等建筑物組成。城西水庫(kù)北溢洪道為10孔帶閘門控制的泄洪閘，每孔凈寬7.0 m，下游設(shè)置有二級(jí)消力池，二級(jí)消力池為底流消能+消能墩聯(lián)合消能。池中設(shè)有中墩，兩道八字型分流墩，分流墩與水流方向呈42°30′夾角，墩長(zhǎng)13.2 m，墩高3.0 m。消力池中墩寬1.67 m，間距1.67 m，高2.2 m，頂寬0.4 m，坡比1∶1，尾坎為圓弧狀，半徑R=50 m，尾坎高度中間為2 m，漸變到兩岸為1.5 m，尾坎頂寬0.4 m，坡比1∶0.5。

FLOW-3D軟件采用RNGk-ε三維水流數(shù)學(xué)模型、VOF方法和單相流體模擬消能池水流流動(dòng),應(yīng)用GMRES方法求解離散方程，能夠計(jì)算消能工況水流條件下消能池的三維水流情況。因此采用FLOW-3D三維數(shù)值模擬進(jìn)行復(fù)核消力池結(jié)構(gòu)尺寸。

2 模型建立及網(wǎng)格劃分

本次數(shù)值模擬選擇N-S方程，建立溢流壩及概化河道地形三維水流RNG、k-ε紊流數(shù)學(xué)模型，其中重要的基本方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能k方程、紊動(dòng)能消耗率ε方程。

FlOW-3D軟件對(duì)自由表面追蹤采樣VOF數(shù)值法，該方法不僅克服了MACC方法的計(jì)算機(jī)所需運(yùn)算內(nèi)存較大和計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，同時(shí)也是解決流體力學(xué)水流流動(dòng)的復(fù)雜問(wèn)題。對(duì)于區(qū)域單元網(wǎng)格，F(xiàn)=0代表該單元是個(gè)空單元無(wú)流體；F=0～1代表該單元被流體不完全充滿；F=1代表該單元被流體完全充滿[1]。

按原型1∶1建立幾何實(shí)體模型，模型范圍從二級(jí)跌水進(jìn)口至消力池出口。建立模型時(shí)分別考慮消力池末端橋墩施工前后兩種情況，建立對(duì)照模型。計(jì)算區(qū)域采用自由網(wǎng)格法，兩個(gè)模型劃分網(wǎng)格方式與參數(shù)相同，全部用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格來(lái)劃分。為提高計(jì)算效率、節(jié)約計(jì)算時(shí)間，本次研究采用分級(jí)劃分網(wǎng)格，對(duì)水流不會(huì)通過(guò)的區(qū)域不劃分或少劃分網(wǎng)格（少劃分網(wǎng)格是為了保障各級(jí)網(wǎng)格間有效銜接），以網(wǎng)格單元總數(shù)控制劃分精度，網(wǎng)格總數(shù)約為270000[2～3]，模型及網(wǎng)格劃分示意圖見圖1、圖2。

圖1 模型示意圖

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

3 邊界條件、初始條件和計(jì)算工況

邊界條件:計(jì)算區(qū)域上方為對(duì)稱邊界；上游為水位、流量邊界；下游為消力池末端水位；壁面采用無(wú)滑移邊界條件。

初始條件:堰體兩側(cè)設(shè)定初始水體范圍，并且給定初始水位，水面水平，壓力為靜水壓。

計(jì)算工況分為30年一遇，其中30年一遇最大下泄流量200 m3/s情況下，上游水位19.79 m，下游消力池水位10.6 m。

4 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

（1）通用設(shè)置

設(shè)置模型計(jì)算時(shí)的計(jì)算時(shí)間、流體種類、單位、計(jì)算控制條件等選項(xiàng)。該設(shè)置對(duì)全局有效，并影響建模時(shí)其他參數(shù)的設(shè)置。針對(duì)本次研究，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為100.0 s，選擇不可壓縮、單一流體，國(guó)際單位制，以時(shí)間作為計(jì)算結(jié)束控制條件。

（2）物理模型設(shè)置

該菜單下包含各種物理參數(shù)、物理方程的選擇與設(shè)置。針對(duì)本次研究，設(shè)置Z軸重力加速度為-9.81 m/s2（FLOW-3D以豎直向上為Z軸正方向），選擇牛頓流體黏性方程，并選擇考慮摩阻。

（3）流體選定

選擇國(guó)際單位制下20℃水體（水體的相關(guān)參數(shù)均為此條件下的數(shù)值，如黏滯度0.001，密度1000 kg/m3等）。

5 水流流態(tài)和流速

在流量為200 m3/s、下游水位為10.76 m的情況下，當(dāng)流動(dòng)基本穩(wěn)定、躍后流速和水深變化很小時(shí)停止計(jì)算。上游水位分布較為均勻，水流通過(guò)泄槽末端后水位急劇變化，在消能池內(nèi)部擴(kuò)散摻混；水流在消力池中發(fā)生淹沒式水躍，水流回流漩滾劇烈，水流內(nèi)部產(chǎn)生摩擦和摻混作用，水流經(jīng)過(guò)消能池后水面恢復(fù)平整。水流出泄槽后，在一級(jí)消能池內(nèi)形成水躍三維效果圖及水壓力分布圖見圖3、圖4。躍首水流流速為4.8 m/s，F(xiàn)r=1.82＞1.7，形成完全水躍，流態(tài)為急流；消力池坎頂水流流速為3.2 m/s，F(xiàn)r=0.95＜1.7，水流均勻擴(kuò)散，水流平穩(wěn)。

圖3 三維效果圖

圖4 水壓力分布圖

6 消力池尺寸復(fù)核及成果分析

根據(jù)數(shù)值模擬，求得躍前、躍后水深h1、h2。為了分析比較有無(wú)消能墩對(duì)消力池尺寸影響，根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）附錄A.6底流消能計(jì)算公式，計(jì)算消力池高度、池長(zhǎng)等[4]。

計(jì)算公式如下:

式中:d為池深，m；σ為水躍淹沒度，取1.05；h2為池中發(fā)生臨界水躍時(shí)的躍后水深，m；ht為消力池出口下游水深，m；b為消力池寬度，m。

表1 消能防沖計(jì)算成果表 單位：m

根據(jù)計(jì)算成果，由于受消能墩迎拒水流，對(duì)水流的作用產(chǎn)生反作用力，設(shè)有消能墩的消力池躍前流速明顯小于無(wú)消能墩情況。

消力池長(zhǎng)26.0 m，消力坎高度1.5 m～2.0 m。根據(jù)現(xiàn)狀消能防沖計(jì)算成果，消力池能滿足能消能防沖要求。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)北溢洪道二級(jí)消力池計(jì)算成果，水流在消力池能形成完整水躍，池后水流流速也較小，對(duì)下游的沖刷作用也較弱，但是入池和躍首部位的流速相對(duì)較大，應(yīng)注意加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗蝕防護(hù)。

（2）應(yīng)用FLOW-3D軟件對(duì)消力池水流進(jìn)行數(shù)值模擬，可以直觀觀察水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析水流流速、水壓力分布等，解決復(fù)雜消能工的計(jì)算問(wèn)題，快速優(yōu)化消力池結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）消能墩的消能效果與它的型式、尺寸、布置以及泄流情況、下游水深等有直接關(guān)系（如池內(nèi)水深較深，墩的作用將減?。現(xiàn)LOW-3D軟件可以快速優(yōu)化調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸，快速實(shí)現(xiàn)求解。對(duì)于小型堰閘，也可參照已建工程的試驗(yàn)成果和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)確定。

（4）在底流消力池中設(shè)置墩、坎等輔助消能工，加強(qiáng)紊動(dòng)擴(kuò)撒，提高消能效率，從而使共軛水深有所降低，消力池的長(zhǎng)度有所縮短，有時(shí)還可以使水躍的流態(tài)穩(wěn)定，但必須注意避免遭受高速水流的空蝕、磨損破壞作用，確保消能工的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。對(duì)于漂浮物的河道或水庫(kù)，同時(shí)對(duì)于水流流速大于16 m/s，輔助消能工常遭撞擊破壞，不宜設(shè)置。