基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟

包中进,王月华

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

在水利枢纽工程中,泄水建筑物的泄流方式很多采用挑流+水垫塘的消能形式。其基本原理是水流经鼻坎挑向空中,掺入大量空气,形成逐渐扩散的水舌,在空中消耗掉一部分能量;跌入下游水垫塘后水流继续扩散,并在主流前后形成2个大旋滚区,余能大部分消耗于水垫塘内水体的紊动摩擦中。该消能工可有效控制射流落入下游河床的位置、范围及流量分布,对尾水变幅适应性强,结构简单,施工、维修方便;适用于中、高水头及大、中、小流量的各类建筑物。以往对挑流消能的研究主要针对挑流鼻坎型式和布置[1-2].、水垫消能[3-6].、雾化问题[7-9].等,后来逐渐向优化挑流鼻坎、挑流消能工与收缩式消能工联合消能[10-11].、挑流消能工与底流消能工联合消能等方面发展。由于水流在空中的扩散、挑射距离、水流沿程流态以及在水垫塘内的运动特性等均涉及较多的因素,水流的运动十分复杂,经常存在强三维运动特征的局部复杂流场,往往需要借助水工模型试验进行优化论证。随着数值仿真模拟技术和方法[12-13].的逐渐发展和成熟,数值模拟已经能够比较真实地反映水流运动特性,从而为工程方案优化节省时间、提高研究效率。

本文结合钦寸水库溢洪道水工模型试验,采用三维数学模型进行求解,比较分析了溢洪道原设计和优化方案的水流运动特点,一方面验证优化方案的有效性,另一方面也体现该计算软件的实用性。

2 数值方法

FLOW-3D采用基于结构化矩形网格的FAVOR方法及真实的3步Tru-VOF方法,控制方程中含有体积和面积分数参数。本次模拟采用单相流体模拟水流流动,应用GMRES方法求解离散方程。

2.1 控制方程

采用N-S方程,建立消能池三维水流 RNGκ-ε紊流数学模型。

控制方程包括连续性方程、动量方程、紊动能κ方程、紊动能耗散率ε方程:

连续性方程

动量方程:

紊动能耗散率ε方程:

式中:u,v,w是在x,y,z3个方向上的流速分量,m/s;Ax,Ay,Ax代表x,y,z3个方向可流动的面积分数,m2;Gx,Gy,Gz为x,y,z3个方向的重力加速度,m/s2;fx,fy,fz是3个方向的黏滞力,(kg◦m)/s2;VF是可流动的体积分数,m3;ρ是流体密度,kg/m3;ρ是作用在流体微元上的压力,N/m2;k为紊动能,(kg◦m2)/s2;ε为紊动能耗散率,(kg◦m2)/s3;μ为水体动力黏滞系数,m2/s;μt为紊动黏性系数,Pa◦s,μt=ρCuκε2;Gκ为紊动能κ的产生项,湍动能和耗散率所对应的Prandtl数, 是 经 验 常 数为平均应变率量张量。

2.2 VOF方法

VOF法是Hirt和Nichols1981年提出的处理复杂自由表面的有效方法,是目前应用非常广泛的一种追踪自由表面的数值方法。该方法定义流体体积函数F=F(x,y,z,t)表示计算区域内流体的体积占据计算区域的相对比例。

在FLOW-3D中关于流体体积函数F的输运方程同样需要考虑体积和面积分数参数。

3 计算实例

钦寸水库按200 a一遇洪水设计,5 000 a一遇洪水校核,总库容2.44亿m3。泄水建筑物为岸边式溢洪道,由进水渠、泄洪闸控制段、泄槽、导墙和挑流鼻坎以及出水渠等组成。泄洪闸为5孔正堰,每孔净宽10.00 m,总净宽50.00m,采用WES曲线实用堰,闸室上游为进水渠,闸室下游为泄槽,泄槽末端接挑流鼻坎,鼻坎末端桩号为0+136.50m。挑流鼻坎长度16.50m,反弧半径25.00m,挑射角 25°。

原设计方案:溢洪道进水渠底高程为85.00m,鼻坎顶高程为64.86m,挑流鼻坎下游水平段高程为62.00 m;预挖冲坑长度50.0m(见图1a)。

优化方案:①挑流鼻坎位置向下游平移25.0m,鼻坎末端桩号为0+161.50 m,鼻坎顶高程调整为59.86m;②两侧边墙下游出口设贴角,贴角尺寸为1m×10m;③挑流鼻坎下游水平段高程降低,为55.50m;④预挖冲坑上游位置不变,下游加长10.0m(见图1b)。

图1 溢洪道纵剖面示意图 单位:m

3.1 计算范围和网格

按原型1∶1建立几何实体模型,模型范围从闸门出口断面上游60m至预挖冲坑出口下游65m。计算区域采用自由网格法,均用结构化正交网格来划分,局部区域进行网格渐变加密,网格总数约4 200 000(见图2)。

图2 模型计算范围和网格划分图

3.2 边界条件、初始条件和计算工况

边界条件:计算区域上方为对称边界;上游为流量边界;下游为压力出口并设置相应的水位;壁面采用无滑移边界条件。

初始条件:上下游设定初始水体范围,并且给定初始水位,水面水平,压力为静水压。初始时间步长定为0.005 s。

计算工况:校核洪水,水库下泄流量4 623 m3/s,下游洪水位59.70m。

4 计算结果对比分析

4.1 流态和流速分布

在给定上游流量和下游水位的条件下,闸门5孔全开,当水流流动基本稳定后停止计算。图3给出了原设计方案和优化方案的水流流态对比图。纵剖面、横断面和平面流场见图4。

水流在进水渠中比较平稳,流速较小;水流出闸后水位急速下降,流速增加;溢洪道水流经过鼻坎挑起后以挑流形式跌入预挖冲坑(水垫塘)中。原设计方案挑距太近,一方面两侧水流挑距仅49m左右,直接砸落在两侧斜坡上,另一方面中间水舌最大外缘挑距也只有73.5m左右,部分水舌也直接砸击在预挖冲坑上游侧斜坡上,不利于建筑物的稳定。

优化方案则明显改善。一方面由于两侧贴角作用,水流挑起后水舌略向中间集中,避免了水流冲击岸坡;另一方面挑流鼻坎下移后挑流水舌均能挑入预挖冲坑中。入水水舌宽度约54m,挑流外缘挑距约78 m。水流入坑后在平面上迅速向两岸边扩散,左右两侧形成回流区;并且在立面上也迅速扩散,主流潜底,在主流上面和下面分别形成旋滚区。

图3 水流流态比较图 单位:m/s

图4 预挖冲坑流场比较图

图5 、6给出了原设计方案和优化方案闸室进口处的横断面流速分布对比图,二者吻合较好。

图5 原设计方案断面流速实测值和计算值对比图

图6 优化方案断面流速实测值和计算值对比图

4.2 沿程水面线和消能率

图7 、8表明数值模拟水面线跟模型试验结果吻合较好,特别是在预挖冲坑中水流漩滚回流强烈区域,水面波动随机性比较强,计算结果很好地演示了这种现象,更进一步说明该数学模型的可靠性,能够反映真实的水流结构和特点。

水流在预挖冲坑后发生二次跌落,原设计方案和优化方案的二次跌落处垂线平均流速分别为13.7,11.6m/s。这也进一步说明优化方案比较好,下游流速减小了,消能率提高了。

消能效果一般用消能率Kj表示,计算公式如下:

式中:E1,E2为上下游计算断面的水流总能量,m;H1,H2分别是上下游断面平均水深,m;v1,v2分别是上下游断面平均流速,m/s;Δh=35m。

计算消能率时,上游选取闸室进口断面,下游选取出口断面,结果表明原设计方案和修改方案消能率分别为72.56%,78.23%,说明优化方案较好。

图7 原设计方案水面线图

图8 优化方案水面线图

4.3 预挖冲坑中的紊动能和紊动耗散率

图9 给出了预挖冲坑中心横断面的紊动能等值线图,图中表明优化方案预挖冲坑中的水流紊动较剧烈,且强烈紊动水流主要集中在预挖冲坑中间附近,有利于保护下游河道边坡稳定。从图10预挖冲坑中心横断面的紊动耗散率等值线图也表明,紊动能耗散率数值比原设计方案值高,说明优化方案较好。

图10 预挖冲坑中心横断面紊动能耗散率分布等值线图单位:(kg◦m2)/s3

4.4 预挖冲坑底板压力分布

从图11水垫塘纵剖面底板压力分布情况来看,除了水舌入水位置,优化方案预挖冲坑底板压力均小于原设计方案。其中优化方案和原设计方案预挖冲坑底板平均压力分别为156,185 kPa,最大压力分别为197,325 kPa,说明优化方案的预挖冲坑中水流扩散较充分、旋滚较剧烈,水体中消耗的能量较多,方案较优。

图11 预挖冲坑底板压力分布图

5 结 语

(1)本文应用FLOW-3D软件对溢洪道三维水流进行了数值模拟,计算结果与水工模型试验实测资料吻合较好,表明该软件能够提供全面详细的流场信息,可以应用于泄水建筑物的方案优化设计。

(2)通过对溢洪道原设计方案和优化方案的水流流态、流速、水面线、紊动能和压力分布等的对比分析,表明优化方案通过调整溢洪道平面布置、增设贴角和改变预挖冲坑位置和范围等措施后有利于提高水流消能效果、确保岸坡和下游河床的稳定。

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