泄水建筑物初拟尺寸优化方向的数值模拟

吴 琨

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

头屯河流域属于结构性缺水和工程性缺水区域，水资源供需矛盾突出。在流域规划中，对现状供需水情况进行分析，流域存在灌区缺水，主要是由于上游控制性工程少，调蓄能力不足所致。由于调蓄能力不足，造成农业春灌缺水、工业有效供水量偏低，即供水结构中工业供水比重始终无法提高；汛期洪水得不到有效控制，不能实现洪水的资源化利用。楼庄子水库兴建后，与其下游的头屯河水库联合调节，可全面提高流域灌区的灌溉保证率；调节能力的提高使流域供水结构得到合理调整。

楼庄子水库的兴建，可全面提高河流下游城市、基础设施的防洪标准，使防洪标准由目前的20年一遇标准提高到50年一遇，确保下游人民群众的生命和财产安全；能有效改善下游工农业用水水质，减轻河道泥沙对下游供水设施及生态环境的破坏。

楼庄子水库总库容为7 374×104m3，正常蓄水位1 394.50 m，最大坝高82.6 m。楼庄子水库由黏土心墙坝、导流兼泄洪冲沙洞、溢洪洞、引水洞等建筑物组成。主要建筑物按3级建筑物设计，大坝按照2级建筑物设计，表孔溢洪洞为枢纽的主要泄洪建筑物。本文采用数值模拟的研究方法，以溢洪洞出口挑流消能方案泄水建筑物初拟尺寸建立模型，进行数值模拟计算；通过计算机模拟计算内部水流，得出模型内部水流运动状态，通过分析水流消能情况及运动趋势，提出泄水建筑物初拟尺寸优化方向。

为探究消力池设计过程中初拟消力池尺寸的可行性，提出泄水建筑物设计优化方向，采用数值模拟的研究方法，以楼庄子水库为研究对象，模拟消力池内部水流运动状态。溢洪洞由引渠段、控制段、隧洞段、泄槽段、挑流消能段组成。按照水力学公式对消力池进行初步拟定：

引渠段采用梯形断面，底宽8.0 m，控制段为WES堰，采用弧形闸门控制的溢洪洞；泄槽段总长79.623 m，泄槽宽8.0 m，纵坡0.5，矩形断面；出口消能段长30.5 m，采用挑流消能，挑坎半径19.0 m，挑角30°。

1 模型及边界条件

1.1 模型及工作原理

以泄水建筑物初拟尺寸建立计算模型，采用数值模拟的研究方法，对模型内部水流进行三维水气两相流数值模拟。根据消力池水气两相流数值模拟发展，采用现今数值模拟较为成熟的求解方法[1-4]：模型求解方法采用标准k-ε模型，用VOF(Volume of Fluid)模型求解消力池自由表面[5-8]，对消力池内部三维水气两相流模拟计算，根据现有模拟成果，该方法可较为真实地模拟消力池内部水流运动。见图1。

挑流消能依靠水流下泄过程中产生的高速水流，经过挑坎投入空中，通过水流与空气间的摩擦、水流本身互相的摩擦，将部分动能消耗，水流垂直落入河床时，再通过水流与河床的相互作用，消耗其余动能的消能方式。

图1 模型结构图

1.2 数学模型

离散方程组通过松驰迭代方法进行求解[9-10]，运用VOF(Volume of Fluid)模型和标准k-ε模型对计算模型进行求解。

消力池内部紊流模型数值模拟中，应用标准k-ε模型。其动量方程、连续方程和ε、k方程分别是：

式中：u为流速；模型参数Cu=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3；μ为体积分数平均的分子黏性系数；ρ为体积分数平均的密度；引入VOF模型后，ρ和μ是关于体积分数的函数，即：

ρ=αwρw+(1-αw)ρa

(5)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(6)

式中：ρω和ρa分别为水和气的密度；μw和μa分别为水和气的分子黏性系数。

1.3 网格划分

溢洪洞计算模型中，泄槽段、消力池段为规则的矩形截面，此段采用结构化网格；挑流段为不规则结构，采用非结构化网格进行划分。为提高模型计算精度，加快运算速度，泄槽段、消力池段2/3池深以下部分划分网格较密，上部较疏。

1.4 边界条件

模型的计算区域包括空气和水两种介质。模拟过程中水为主相，其密度为1 000 kg/m3；次相为空气。

1) 空气进口边界。由于溢洪道水流为自由出流，计算过程中简化模型，将溢洪洞顶部与大气联通，即将顶面设置边界调节为压力进口，压强设置为0。

2) 进口边界。进口边界条件为ux=V，uy=0，uz=0；其中ux、uy、uz分别为X、Y和Z方向的分速度，取来流方向为X正向，根据不同工况的设计流量，调整进口水深和进口流速。

3) 出口边界。下游河道水流出口与空气出口作为模型的出口，本次研究不控制下游河道水深，出口设置为压力出口边界。

4) 固壁边界条件。溢洪洞边墙和地面为固壁边界，采用无滑移边界条件，为确定固壁附近的水流动态，使用标准壁面函数法模拟。

2 计算结果及分析

为探究消力池内部水流的运动状态，对初拟消力池进行数值模拟计算。运用标准k-ε计算模型，模拟计算设计流量工况下溢洪洞下泄流量为289 m3/s，泄槽起点下泄流速6.05 m/s，得到计算模型内部水流运动状态。

2.1 流速矢量分析

设计工况下，溢洪洞的流速矢量云图见图2。由图2可知，模型内部水流流至挑坎末端时流速最大，水流出射后挑坎与消力池斜接处易发生空蚀；水流流经挑坎后形成出射水流，水流运行至消力池中部时，流速没有减小。由此说明，水流经挑坎产生的动能没有释放，没有达到预期的消能效果；观察可看出，水流挑距较大，水流出射末端超出消力池池长。进一步优化过程中，需对挑角末端、挑角角度、消力池尺寸适当调整。

图2 底流消能模型流速矢量云图

2.2 水气两相流分析

经计算分析提取设计工况下，溢洪洞模型内部水气两相流云图见图3。经观察可看出，泄槽段水流运动均匀，水流经泄槽平顺流至挑坎末端；模型内部水流经挑坎，形成出射水流，挑射出的水流较集中，水流挑射后没有分散，出射水流在空中能量耗散较少；挑距较大下游池长不足。经分析可得出结论，模型初拟尺寸中，挑坎角度偏小，挑射水流较集中，消力池池长偏小。

图3 模型内部水气两相流云图

2.3 压力场分析

经计算分析提取设计工况下，模型内部压力场云图见图4。由图4可看出，泄槽段压力较均匀，水流流至挑流段压力逐渐增大，在挑流段中部处压力达到峰值；说明挑流段底部受到泄水水流冲击较大。泄水建筑物结构设计过程中，需对此段结构进行复核，结构设计过程中可参照本文计算成果对此处结构进行计算。

图4 模型内部压力场云图

通过模型内部水流数值模拟，由设计工况下模型计算所得速度矢量线图、水气两相流云图、压力场云图分析可知，泄水建筑物初拟消力池池长较小，不能满足消力池消能效果，水流经挑坎挑射后，水流超出消力池，需加大池长；消力池内部水流经挑角出射水流在空中未完全消能，动能未经耗散，需对水流出射挑角进行优化体型，适当加大出射角度，以达到消能效果。

3 结 语

本文通过数值模拟的研究方法，对溢洪洞消力池初拟尺寸进行了水气两相流三维数值模拟，采用标准k-ε模型计算模型，结合水气两相流VOF方法，对消力池内部水流进行跟踪模拟。通过计算分析得出结论：楼庄子水流泄水建筑物初拟挑流消能模型尺寸未达到预期消能效果，能量耗散不充分，需适当加大挑角及消力池池长。本文研究成果为楼庄子水库泄水建筑物消能初选方案对比提供了理论依据，后期泄水建筑物体型优化过程中，可运用本文得出结果进行分析。