博斯坦水库表孔溢洪洞水力特性研究

罗昌辉

（新疆水利水电勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

博斯坦水库工程位于新疆维吾尔自治区和田地区策勒县博斯坦乡，该工程是阿克塞音河的控制性工程，以灌溉为主。水库总库容804万m3，表孔溢洪洞布置在右岸坝肩，控制段采用WES堰，无闸控制。表孔溢洪洞侧堰与侧槽呈90°布置，由引渠段、侧堰、侧槽、调整段、上平洞段、斜井段、下平洞段、泄槽段、消能段等部分组成。表孔溢洪洞设计洪水位时，下泄流量为165.0m3s；校核洪水位时，下泄流量为245.0m3s。

调整段长20.0 m，纵坡i=0，底板高程3 040.800 m，为8 m×10 m的城门洞断面。上平段长148.028 m，纵坡i=0.002，底板高程3 040.800～3 040.525 m，采用城门洞型，断面由8.0×10.0 m渐变为8.0×9.0 m。渥奇曲线段长28.645 m，曲线方程为Y=0.002X+0.02X2，底板高程3 040.525～3 028.025 m，断面形式为8.0 m×9.0 m城门洞型。斜井段长57.429 m，纵坡i=1，底板高程3 028.025～2 987.417 m。斜井段前20 m为渐变段，断面形式为城门洞型，断面由8.0 m×9.0 m渐变为4.0 m×5.0 m。反弧段长15.486 m，半径20.0 m，圆心角α=43.282°，反弧末端底板高程2 981.568 m，断面形式为城门洞型，断面尺寸为4.0 m×5.0 m。下平洞段长61.298 m，纵坡i=0.03，底板高程2 981.568～2 979.730 m，断面形式为城门洞型，断面尺寸为4.0 m×5.0 m。下平洞段末接渥奇段，渥奇段长18.862 m，曲线方程为Y=0.03X+0.004545X2，底板高程为2 979.730～2 977.579 m，断面形式为4.0 m×5.0 m城门洞型。渥奇段后接泄槽，消力池。

2 研究方法

本次研究采用数学模型，利用犀牛软件建立溢洪洞三维模型[1]、FLUENT软件[2，3]分析计算溢洪洞水库正常水位运行工况下的水力特性[4]。数学模型基本参数见表1。

表1 基本参数表

3 研究过程

3.1 建立三维实体模型

在犀牛软件中将溢洪道模型建立，保证模型的完整性以及没有外露边缘，确保模型为实体模型（见图1）。

图1 溢洪洞三维实体模型

3.2 模型划分网格

由于FLUENT软件不具有前处理功能，所以必须借助其他前处理软件，常用的有GAMBIT、ICEM、TurboGird、HyperMesh等。在本次计算中，采用ANSYS旗下自带的ICEM前处理工具，主要包括CAD几何建模处理、网格生成处理、网格优化处理、网格输出处理四大模块。具有以下特色功能：丰富的几何接口、强大的几何拓扑功能、几何小面无关性、强大的六面体网格生成技术、四/六面体混合网格生成技术等。

CFD的工作的80%是集中于前期的画网格，优质的网格对后期的计算提供便利，所以应当重视画网格，同时，ICEM网格输出可满足不同的求解器，如ANSYS、ABAQUS、CFX等，对ICEM的学习也为其他有限元软件的应用奠定了基础。网格不允许存在负体积，负体积网格将不被求解器接受，以行列式（Determinant3×3×3）为判定指标，正常网格取值范围0～1，比值为1时表示完美网格，比值越低表示网格越差，对于FLUENT来说，比值0.1以上是可以接受的网格。网格划分技术路线见图2，实体模型风格划分见图3。

图2 网格划分技术路线

图3 实体模型网格划分

3.3 FLUENT计算

采用有分界面的VOF模型，用来追踪两种或者更多不相容流体的界面位置，界面跟踪通过求解连续方程完成，通过求出体积分量中急剧变化的点来确定分界面的位置。混合流体动量方程采用混合材料的物质特性求解，因而混合流体材料物质特性将在界面上经历突变。混合流体同样考虑了湍流方程和能量方程，考虑了表面张力和壁面粘性效应。

利用工作站多核并行运算，加快计算速度，在计算前期，为确保水流条件及收敛，采用固定步长，观察计算结果调整固定步长数，在计算后期采用变化步长，加快收敛速度。当入口流量与出口流量近似一致时，就可以认为结果收敛。

在设计洪水位3 049.800 m时，表孔溢洪洞进口流量为165 m3/s，进口流速为5.876 m/s。经过计算，其整体水面线如图4所示。

图4 溢洪洞整体数学模型水面线

为了验证数学模型的准确性和可靠度，整体溢洪洞进行了物理模型试验，模型试验水面线结果如图5所示。经过对比发现，数学模型和物理模型水面线结果基本一致，说明数学模型中的建模建立、网格划分、边界的选取是合适的。

图5 溢洪洞整体物理模型水面线

4 结论

本文采用犀牛软件建立数学模型，ANSYS旗下自带的ICEM前处理工具进行模型网格划分，FLUENT软件计算分析溢洪洞整体水力特性，得到了较好的实验结果，并通过物理模型试验的结果验证，更充分说明了数学模型建立的方法及结果是合适的，对工程前期的研究设计具有一定指导意义。