底坎對嵌槽消力池消能效果影響的數(shù)值模擬研究

李曉桐

（遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

在大型水利工程建設過程中，采取科學合理的消能方式具有重要意義，可以有效保證工程的運行安全。目前，水利工程中常用的基本消能工有挑流消能和底流消能兩大模式[1]。其中，底流消能是利用下瀉水流的水躍進行消能的傳統(tǒng)消能方式，該方式下大部分水流能量通過旋滾、紊動消殺，因此，具有消能率高、流態(tài)穩(wěn)定、水流霧化影響范圍小的優(yōu)勢[2]。但是，該消能方式的缺點也十分明顯，主要是工程量大、造價高，容易造成消力池底板沖刷破壞等。針對這些問題，科研工作者和工程師們探索出了消力墩、跌坎、尾坎等與底流消能聯(lián)合使用的輔助消能工[3]。在聯(lián)合消能工設計優(yōu)化研究中，學者提出了一種新型嵌槽式消力池，其基本思路是為傳統(tǒng)平底消力池的最低點設置低于消力池底板高程的多圓弧截面嵌槽，因而改變池底水流方向，以克服傳統(tǒng)消力池的不足[4]。從具體的工程實踐來看，該消力池具有相對較優(yōu)的消能效果，但是也存在嵌槽尾部水流流態(tài)不佳的問題，基于此，提出了在嵌槽后部設置底坎的聯(lián)合消能工，并探討其消能效果。在研究過程中，物理模型試驗的結果固然真實可信，但是難以借助當前的技術對水體內(nèi)部的相關力學指標進行準確采集，而數(shù)值模擬計算具有研究周期短、計算速度快、成本低廉等眾多優(yōu)勢。因此，本文利用數(shù)值模擬的方法展開相關研究。

1 有限元計算模型

1.1 工程背景

遼寧省東部某在建重點水利工程的大壩壩頂高程為304.5 m，最大壩高65.5 m，壩軸線長198.0 m。表孔泄洪洞布置在大壩右岸，其進口為WES 堰型設計，堰頂高程為291.0 m，設計洪水位為300.0 m，設計泄流量為330.0 m3/s；校核洪水位為303.4 m，校核泄流量為553.0 m3/s。表孔泄洪洞主要由引渠段、控制段、洞身段、挑流鼻坎及下游消力池和護坦等部分組成，長度為335.8 m。

1.2 有限元模型的構建

利用FLOW-3D 軟件進行背景工程有限元計算模型的構建。由于背景工程有5 孔泄洪表孔，如果對其進行全部模擬，則網(wǎng)格數(shù)量和計算量太大。為了減少計算工作量，提升計算效率，研究中針對單泄表孔進行模擬[5]。在幾何模型構建過程中，將豎直向上的方向設為Z軸正方向，將中心線指向下游的方向設為X軸正方向，將垂直于X軸指向右岸的方向設為Y軸的正方向。整個模型涵蓋寬度為12.5 m的溢流表孔，長度范圍為130.0 m。

考慮到結構化網(wǎng)格在計算收斂速度及模擬精度方面的優(yōu)勢，采用棱長0.6 m 的正交結構化網(wǎng)格進行計算模型的網(wǎng)格剖分，對嵌槽和底坎部位利用棱長為0.3 m 的網(wǎng)格進行局部加密處理。整個模型劃分為12 560 個網(wǎng)格單元，13 224 個節(jié)點。

1.3 網(wǎng)格無關性檢驗

在大渦模擬湍流模型中，網(wǎng)格數(shù)量是計算結果的重要影響因素，過多的網(wǎng)格數(shù)量會影響計算效率，而網(wǎng)格數(shù)量過少不利于提高結果的準確性[6]。因此，在研究過程中進行網(wǎng)格無關性驗證極為必要[7]。以水庫的正常蓄水位為模型的來流條件，分別利用尺寸為0.4 ，0.6 ，0.8 和1.0 m 的網(wǎng)格進行出口流量模擬計算，其模擬計算誤差率如圖1 所示。由圖1 可以看出，網(wǎng)格尺寸為0.4 和0.6 m 時的誤差率十分接近，再增加網(wǎng)格尺寸其誤差率會迅速增加。由此可見，選擇0.6 m 的網(wǎng)格尺寸是合適的，可以獲得較為精確的研究結果。

圖1 不同網(wǎng)格尺寸誤差率變化曲線

1.4 邊界條件

計算區(qū)域的上游庫區(qū)給定水位并采用流量邊界條件；下游給定水位并采用壓力出口邊界條件；模型的壁面采用無滑移邊界條件；模型的底部和兩側均采用壁面邊界條件；模型的頂部為壓力邊界條件；流體的體積分數(shù)設定為0[8]。為了縮短模型計算的時間，模型計算的初始時刻在其上下游分別設置一塊水體。模型求解采用壓力隱式求解法，計算過程中，間隔2 s 輸出1 次計算結果，初始時間步長為0.1 ms。

1.5 計算方案

為了研究底坎對嵌槽消力池消能效果的影響，選擇底坎的形狀、位置和尺寸作為研究變量。結合背景工程實際和相關研究成果，設置矩形、等邊三角形和等腰梯形3 種不同的截面形狀；底坎的位置由底坎上緣與泄槽末端的距離確定，分別設置0，3.0，6.0 m 等3種不同的位置方案；底坎的尺寸由底坎底寬確定，分別設置1.0，1.5，2.0 和2.5 m 等4種不同的計算方案。為了減少計算工作量，模擬計算過程中確定其余變量值不變，展開特定參數(shù)的影響研究。此外，研究中以沒有底坎設置方案作為對比方案。

2 計算結果與分析

2.1 底坎形狀

保持底坎位置為3.0 m、底坎尺寸為1.5 m 不變，利用構建的有限元模型對不同底坎形狀方案的消力池消能特征進行計算，根據(jù)計算結果獲得不同方案的典型斷面流速和消能率，結果分別如表1 和圖2 所示。從表1 可以看出，各方案沿程流速呈現(xiàn)出先減小后小幅增大的變化特征，且設置底坎方案的沿程流速值均顯著小于對比方案。由此可見，設置底坎有助于降低消力池內(nèi)水流的沿程流速，其中，梯形斷面方案除個別斷面流速值稍大于矩形斷面之外，其余斷面的流速值均相對較小。從圖2 可以看出，設置底坎方案消力池的消能率均明顯大于對比方案，其中，消能率最大的為梯形斷面方案。結合流速計算結果，梯形斷面為底坎形狀的最佳設計方案。

圖2 不同體型方案消能率計算結果

2.2 底坎位置

保持底坎形狀為梯形、底坎尺寸為1.5 m 不變，利用構建的有限元模型對不同底坎位置方案的消力池消能特征進行計算，根據(jù)計算結果獲得不同方案的典型斷面流速和消能率，結果分別如表2 和圖3 所示。從表2 可以看出，不同底坎位置設置方案的典型斷面流速存在比較顯著的差異，但是均小于對比方案，因此，在嵌槽下游一定位置設置底坎可以有效控制消力池內(nèi)典型斷面的流速，具有一定的工程意義和價值。從表2 計算結果對比來看，底坎位置為3.0 m 方案的流速值總體較小，且流速變化比較穩(wěn)定，除了0＋014.99 斷面流速大于6.0 m 方案之外，其余各斷面的流速值均為最小。從圖3 可以看出，不同底坎位置方案消力池的消能率均明顯大于對比方案，其中消能率最大的為3.0 m 方案。結合流速計算結果，3.0 m 方案為底坎位置的最佳設計方案。

表2 不同位置方案斷面流速計算結果 m/s

圖3 不同位置方案消能率計算結果

2.3 底坎尺寸

保持底坎形狀為梯形、底坎位置為3.0 m 不變，利用構建的有限元模型對不同底坎尺寸方案的消力池消能特征進行計算，根據(jù)計算結果獲得不同方案的典型斷面流速和消能率，結果分別如表3 和圖4 所示。從表3 可以看出，典型斷面流速隨著底坎尺寸的增大基本呈現(xiàn)先減小后小幅增大的變化特點，當?shù)卓渤叽鐬?.0 m 時，各斷面的流速值相對較小。從圖4 可以看出，消力池的消能率隨著底坎尺寸的增大呈現(xiàn)先增大后小幅減小的變化特點，當?shù)卓渤叽鐬?.0 m 時的消能率最大。

表3 不同尺寸方案斷面流速計算結果 m/s

圖4 不同尺寸方案消能率試驗結果

3 結語

此次研究以具體工程為背景，利用數(shù)值模擬的方法探討了底坎對嵌槽消力池消能效果的影響。試驗結果顯示，在嵌槽下游設置底坎有助于降低消力池內(nèi)流速，提高消力池的消能率。經(jīng)過底坎的體型、位置和尺寸優(yōu)化之后，獲得最佳方案：底坎截面為梯形、底寬為2.0 m，設置于嵌槽下游3.0 m 位置。該方案下消力池的消能率為68.51%，與不設置底坎的對比方案62.22%的消能率相比有明顯提升，因此具有良好的工程應用價值。當然，聯(lián)合消能工的手段較多，在今后的研究中還可以探索齒墩、柱柵等結構對嵌槽消力池消能效果的影響，以便獲得具有更好消能效果的消力池消能工設計方案。