溢洪道水力特性数值计算与分析

张丽花 益波 李继成

摘要：利用非恒定流VOF法中的open channel、realizable k-ε湍流模型，对溢洪道泄槽水流进行了三维流场的紊流数值模拟研究，通过数值模拟计算，得到了溢洪道泄槽的压力分布、流速分布和流态等，并将计算结果和模型试验结果进行了对比分析，结果显示二者吻合度较好。

关键词：溢洪道；水力特性；数值模拟

Abstract：With the VOF method of open channel、realizable k-ε model of unsteady flow，the chute flows of spillway is simulated with a 3-D numerical model of turbulent flows.After the simulating computation，the hydraulic characteristics，such as the pressure distributions、velocities and flow patterns of the chute flows are acquired.The results are also compared with the physical model test.The results of those two methods are in accord well with each other.

Key words：spillway；hydraulic characteristics；numerical simulation

引言

枢纽布置当中，泄水建筑物溢洪道是一种最常见、使用最广泛的建筑物，它的泄流能力和安全运行直接影响到主体建筑物大坝的安全，而在现今剧增的水电工程规模使它在整个工程中的重要性越来越突出。在对溢洪道进行初步设计时，要对它进行精准的水力学计算及模型试验，保证其在各种工况下的泄流能力和安全运行，并同时达到投资最少。

物理模型试验是验证水工建筑物布置合理性的传统方法，是在按一定比例缩小了的试验模型上验证实际工程的各种水力特性，由于模型和原型不可能做到所有物理量完全相似，因此，有时模型并不能完全反应原型的特性，仅可以反应原型的主要特性。

本文在传统模型试验的基础上还将目前已广泛应用的紊流数值模拟方法引入到溢洪道水力特性研究中来，应用了目前具有国际先进水平的Fluent流场计算程序，在对溢洪道进行水力学数值模拟计算，得到了溢洪道泄槽的压力分布、流速分布和流态等，并且将结果与模型试验结果进行对比，得到了较好的吻合度。

1.工程概况

某水电站工程主要任务为发电，工程等别为二等大（2）型。挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为2级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物。因土石坝坝高超过100m，挡水建筑物、泄洪建筑物提高一级按1级建筑物设计。

水电站枢纽主要建筑物体系为：混凝土面板堆石坝、左岸引水发电系统及右岸泄水体系组成。泄水建筑物均布置在河右岸，包括二孔溢洪道和一条有压泄洪洞。

水电站特征水位见表1。

2.数学模型

2.1 湍流控制方程

湍流采用雷诺平均法处理，雷诺切应力由湍流粘性系数法得到。控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、k方程、 方程。若在VOF模型中，由于水和气共有相同的流速场和压力场，因而对水气两相流可以像单相流那样采用一组方程来描述流场。对于本文采用的k- 紊流模型，连续方程、动量方程和k、 方程可分别表示如下：

2.2 对自由表面的处理

VOF法是Hirt&Nichols于1981年提出的，模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟2种或3种不能混合的流体。模型对每一相引入体积分数变量，通过求解每一控制单元内体积分数确定相间界面。对于水气两相流场，假设水和气具有相同的速度，即服从同一组动量方程，但它们的体积分数在整个流场中都做为单独变量。在每个单元中，水和气的体积分数为1，与真正的单相流相比，多一个体积分数变量。如果α表示水的体积分数，则气的体积分数β可表示为：β=1-α。

在一个控制单元里，α=0时，控制单元内没有水，α=1时，控制单元内充满水，0<α<1时，控制单元内包含水气交界面。在每个控制单元内各相体积分数总和为1。

2.3 紊流模型选取

对于紊流模型的选取，除了要测定其用于各种不同流动时能在不调整其中的常数项前提下以多大精度描述流动外，还要测定其计算所需的费用及处理问题所需的时间，后者对工程应用尤为重要。目前在工程应用和研究中使用最广泛的紊流模型为雷诺时均模型和大涡模拟，雷诺时均模型中又以双方程k- 模型最为成熟，以雷诺应力模型最为精确。对该大尺寸模型的模拟，考虑到双方程中的realizable模型能够较好的模拟该流动。最后选择realizable k- 模型来开展计算工作。

3.数值计算

本次计算主要对水电站溢洪道进行模拟计算，分析其水力特性并与水工模型试验进行比较。

3.1几何模型建立及网格划分

利用CAD平面图构建用于网格划分的三维模型，生出的三维实体如图1所示。

3.2边界条件及解算步骤

库区水流进口采用的是压力边界进口条件，使用明渠流算法，给出自由水面高度和总水头，校核工况时，上游库水位为2254.3m，设计工况时，上游库水位为2253.0m。空气进口边界设为压力边界条件，进口边界处均为大气压。

下游出口按相应泄流量下的河道水位控制，采用壓力出口边界条件，其他变量的法向梯度为0。

3.3计算成果

计算区域的坐标原点选在溢流堰前端与水库相接处，X轴取沿水流方向，沿水流流向为正值。

本文对计算区域计算了2孔校核工况、设计工况两种情况，与实测结果进行了对比验证。校核工况上游水位高程1225.88m，2孔全开泄量5873.0m3/s，设计工况上游水位高程2253.0m，2孔全开泄量5349.0m3/s，对这两种工况采用非恒定流进行计算，计算到50秒左右时，其流态及进出口流量基本不变时，视为计算稳定收敛情况，取计算结果进行分析，得到了一系列的水力要素。

3.3.1流量

采用规范公式计算值与模型试验率定值对比结果见表2，采用Fluent软件计算值与规范公式计算值对比结果见表3。

3.3.2压力

由比较图及表可以看出，左溢洪道压力值试验计算基本相当，右溢洪道在溢0+342.5及0+433.0附近压力峰值试验均未捕捉到，分析原因，此部位处在挑流鼻坎的底部，水流流速最大，冲击力最大，实际工程中应考虑设通气孔掺气以减小水流冲击，鉴于此，做模型试验的时候应对此部位注意验证。

3.3.3流速

由比较图可以看出，试验与计算在量级与趋势上基本一致。计算值稍大，考虑是由于试验限制，没有扑捉到最大流速的原因。

结语

本文利用非恒定流模块、vof法中的open channel、realizable k-ε湍流模型，对溢洪道泄槽水流进行了三维流场的紊流数值模拟研究，通过數值模拟计算，得到了溢洪道泄槽的压力分布、流速分布和流态等，并将计算结果和模型试验结果进行了对比分析，结果显示二者吻合度较好。通过两种方法得到的水力特性对比结果可以更加客观地指导工程设计。

参考文献：

[1] 成都科技大学水力学教研室吴持恭等编，水力学（第二版）[M]. 北京：新华教育出版社. 1998

[2] 郑小玉，溢洪道水力特性的数值模拟及实验研究，[硕士学位论文].成都：四川大学.2004

[3] 王福军，计算流体动力学分析-CFD软件原理及应用[M]，北京：清华大学出版社.2004

[4] 巨江，工程水力学数值仿真与可视化[M].北京：中国水利水电出版社，2010

作者简介：

张丽花（1981-），女，河北唐山人，硕士，工程师，从事水利水电工程设计工作。