水電站泄洪底孔水力學(xué)特性數(shù)值模擬

李 琨

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

近年來,因洪水影響而造成水工建筑結(jié)構(gòu)破壞的案例不斷涌現(xiàn),通常在水工建筑上游修建泄洪建筑以排除多余洪水,對(duì)下游水利工程起到有效的保護(hù)作用。水利水電工程泄洪底孔是較為常見的泄洪水工建筑物,其主要包括有壓段、明流段及出口挑流鼻坎等部分,因技術(shù)和分析手段所限,目前所進(jìn)行的泄洪底孔水力特性相關(guān)分析中,物理模型試驗(yàn)方法應(yīng)用較為廣泛,該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且無法獲取流場(chǎng)全域水力數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)逐漸興起,并能有效輔助傳統(tǒng)模型試驗(yàn)法以克服傳統(tǒng)分析方法的種種弊端。

當(dāng)前理論界對(duì)泄洪底孔的研究較少,泄洪洞底孔作為重要的泄洪水工建筑物,其結(jié)構(gòu)型式會(huì)因水文地質(zhì)條件及泄洪要求的不同而不同,為此,必須進(jìn)行泄洪底孔運(yùn)行過程中水力學(xué)特性以及實(shí)際水流條件可能影響的分析,全面了解流場(chǎng)特性。

1 工程背景

某興建在新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)的二級(jí)水電站工程,其站址與上游已建H 水電站相距1.0 km,與下游哈爾莫墩水電站、和靜縣及庫爾勒市距離分別為23.8 km、87.6 km 和128.7 km。根據(jù)可行性論證,該興建水電站采用中閘址方案,并按照Ⅳ等小（1）型建設(shè),主要水工建筑物有首部樞紐、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、電站廠房。該水電站工程現(xiàn)有四孔泄洪閘分別設(shè)置于河道右岸主河槽處,泄洪閘設(shè)計(jì)單孔凈寬10.0 m,底板設(shè)計(jì)高程為1345 m,考慮到?jīng)_砂的便利,將臨近進(jìn)水口處的底板高程降低為1344.6 m,閘段高8.1 m、寬48.7 m。閘孔孔口寬10.0 m、高8.1 m,每孔均設(shè)置弧形工作閘門和檢修閘門各1 道。

泄洪底孔壩段與表孔壩段右側(cè)為緊鄰關(guān)系,底孔按1 孔設(shè)計(jì),而且底孔主要設(shè)置在總寬度17 m 的壩段內(nèi),由此所形成的泄洪底孔全段長47.8 m,均根據(jù)有壓孔口出流的相關(guān)要求設(shè)置,以保證其所具備的放水及施工期導(dǎo)流的功能作用能順利發(fā)揮。泄洪底孔進(jìn)水口主要采用喇叭口型式設(shè)計(jì),泄洪底孔進(jìn)水口的頂部以及側(cè)墻處均按照橢圓形弧形曲線的型式設(shè)計(jì)。底板則為水平狀態(tài),并在進(jìn)口處增設(shè)一道平板事故閘門,出口處屬于壓坡段,為保證出口處作用的順利發(fā)揮,在此處增設(shè)一道弧形工作閘門,進(jìn)出口處的閘門均通過液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。

2 數(shù)值模擬

2.1 紊流模型

k～ε方程因充分考慮到紊動(dòng)能和耗散率的輸運(yùn)過程,對(duì)復(fù)雜剪切紊流預(yù)測(cè)結(jié)果也較為合理[1],在當(dāng)前水工建筑物水力學(xué)特性模擬方面應(yīng)用也較為廣泛。為此,本研究主要采用標(biāo)準(zhǔn)紊流k～ε方程進(jìn)行水電站泄洪底孔水力學(xué)特性數(shù)值模擬。

式中：ρ為流體密度,kg/m3；為水分子動(dòng)力粘滯系數(shù)；k 為紊動(dòng)能,J；ui為i 向速度分量,m/s；uj為j 向速度分量,m/s；ε為紊動(dòng)能實(shí)際散失率,%；t 為時(shí)間,s；p 為壓力修正值,kPa；xi為坐標(biāo)分量；ut為紊流粘性系數(shù)；σk為紊動(dòng)能k 所對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù),取1.0；σε為紊動(dòng)能耗散率ε所實(shí)際對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù),取1.3；C1ε、C2ε為常數(shù),分別取1.44 和1.92；Gk為紊動(dòng)能k 在速度梯度均值影響下的產(chǎn)生項(xiàng)。

2.2 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

將該水電站泄洪底孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后創(chuàng)建計(jì)算區(qū)域坐標(biāo)系,x軸向代表水流方向,以上游35.0 m～下游187.3 m 斷面為計(jì)算區(qū)域；y 軸向代表水流斷面方向,以0～46.0 m 為計(jì)算區(qū)域；z軸向代表水位高程方向,以1230.0 m～1294.0 m 為為計(jì)算區(qū)域。速度入口和壓力入口共同構(gòu)成上游計(jì)算區(qū)域的左邊界,速度取0.45 m/s,壓強(qiáng)則選用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,壓強(qiáng)入口構(gòu)成計(jì)算區(qū)域上邊界。計(jì)算模型內(nèi)的泄洪底孔主要包括明渠段和有壓段兩個(gè)部分,應(yīng)用ICEM-CFD 有限元分析軟劃分模型網(wǎng)格,并對(duì)泄洪底孔網(wǎng)格加密處理[2]。共劃分出30 萬個(gè)網(wǎng)格單元,28 萬個(gè)節(jié)點(diǎn),具體劃分情況見圖1。

圖1 泄洪底孔網(wǎng)格劃分

以庫水位為界限,將模擬區(qū)域進(jìn)口劃分為上、下兩個(gè)部分,并分別設(shè)置為壓力進(jìn)口和速度進(jìn)口（具體見圖2）,其中速度v 主要根據(jù)庫區(qū)泄流量整體值Q 和進(jìn)口斷面面積A 予以確定,即v =Q/A；出口則按照空氣壓力出口設(shè)置。紊動(dòng)能k= 0.00375 v2,紊動(dòng)能耗散率 ε= k1.5/ 0.4 H0,其中H0為初始尾水深（m）?？紤]到上下游水庫、閘槽通氣孔均直接接觸明流泄槽自由水面和大氣,故應(yīng)按照空氣壓力進(jìn)口邊界設(shè)置,且總壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。泄洪底孔側(cè)壁面與底面均按固體無滑移邊界設(shè)置,越臨近壁面則雷諾數(shù)越小,分子粘性影響程度也越顯著[3]。

圖2 計(jì)算區(qū)域進(jìn)口劃分情況

3 結(jié)果及分析

通過FLUENT 軟件,分別進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位兩個(gè)工況下該水電站泄洪閘門全開時(shí)泄洪底孔實(shí)際運(yùn)行情況的數(shù)值模擬和結(jié)果分析,所設(shè)定的收斂控制條件為進(jìn)出口流量差≤2%。根據(jù)數(shù)值模擬所得到的兩個(gè)不同工況下泄洪底孔水力學(xué)參數(shù)取值具體見表1。

表1 設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況參數(shù)

3.1 水面線及水流流態(tài)

通過數(shù)值模擬可以將水面線簡(jiǎn)化為水-氣二相界面,二相云圖見圖3,分析后所給出的水面線結(jié)果主要為體積分?jǐn)?shù)形式。在設(shè)計(jì)工況以及校核工況下,比較該水電站泄洪底孔中線沿程水面線模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果,具體見圖4。以該水電站泄洪底孔喇叭口入口為起點(diǎn),直到壓坡段出口,這一段屬于有壓段,故在圖中只顯示出了明流泄槽段所對(duì)應(yīng)的水面線。在樁號(hào)67.6 m～117.6 m 段共設(shè)置7 個(gè)測(cè)點(diǎn),在兩種不同工況下,各測(cè)點(diǎn)水深計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的平均誤差分別位3.7%和2.45%,誤差值均未超出《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2018）要求,表明在兩種工況下擬合效果良好。

圖3 泄洪底孔水氣交界面圖

圖4 沿程水面高程模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的比較

3.2 底板壓力

從水電站泄洪底孔縱剖面底板壓強(qiáng)分布情況模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的整體對(duì)比情況來看（圖5）,兩者結(jié)果吻合程度高,但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),在設(shè)計(jì)洪水位工況下,壓強(qiáng)水頭計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的最大偏差出現(xiàn)在95.4 m 斷面處,計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果分別為5.68 m 和6.79 m；而校核洪水位工況下,兩者結(jié)果的最大偏差出現(xiàn)在73.4 m 斷面處,計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果分別為9.69 m 和12.10 m。通過分析原因可知,物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)測(cè)壓強(qiáng)值取某點(diǎn)壓強(qiáng),而數(shù)值模擬時(shí)的壓強(qiáng)值為斷面壓強(qiáng)均值,這也是造成不同工況下壓強(qiáng)水頭試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果偏差的主要原因。

圖5 縱剖面底板壓強(qiáng)分布模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的比較

根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)工況和校核工況下該水電站泄洪底孔壓力等值線的分析得出以下結(jié)論：兩種不同工況下,其底孔壓力等值線具有相同的分布規(guī)律,且有壓段進(jìn)口壓力大,出口壓力小；明流段反弧區(qū)壓力增大趨勢(shì)明顯。挑流鼻坎坎頂處負(fù)壓最大達(dá)到-43.1 kPa,形成其較大負(fù)壓的主要原因在于水流與坎頂平臺(tái)脫離的同時(shí)形成空腔。

3.3 沿程流速分布

在該水電站泄洪底孔明流泄槽段選擇7 個(gè)斷面進(jìn)行沿程流速測(cè)量,測(cè)點(diǎn)樁號(hào)及測(cè)量結(jié)果具體見表2。通過分析設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下沿程流速值測(cè)量結(jié)果可知,兩種工況下,流速試驗(yàn)值和流速模擬值的誤差均較小,且試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果在變動(dòng)趨勢(shì)上擬合較好,能體現(xiàn)出該水電站泄洪底孔流速沿程變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律。

表2 沿程流速測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)新疆某水電站泄洪底孔水力特性物理模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),兩者擬合效果良好,在泄洪水工建筑物水力特性分析中數(shù)值模擬方法切實(shí)可行。該水電站泄洪底孔在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位兩種工況下均存在負(fù)壓,且最大負(fù)壓大值-43.1 kPa 主要出現(xiàn)在挑流鼻坎頂端,應(yīng)加強(qiáng)該泄洪底孔體型的優(yōu)化設(shè)計(jì),具體可以將其明流泄槽出口型式調(diào)整為窄縫挑坎型,并輔之以單側(cè)收縮窄縫消能工。本研究分析結(jié)果也表明,在處理復(fù)雜水力學(xué)問題方面廣泛應(yīng)用的水工模型耗時(shí)長,且很難獲得流場(chǎng)全域水力數(shù)據(jù),數(shù)值模擬建模簡(jiǎn)便易行,更能調(diào)整和優(yōu)化工況及水工建筑物結(jié)構(gòu)型式,模擬過程及計(jì)算結(jié)果詳盡,在水力學(xué)特征分析及數(shù)值模擬方面,應(yīng)將兩種方法有機(jī)結(jié)合,以提高模擬分析結(jié)果精度。