基于FLOW-3D软件的滁州城西水库北溢洪道复杂消能工数值模拟

王登贇

（上海市政工程设计研究总院（集团）第六设计院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

消能工是消除泄水建筑物或落差建筑物下泄急流的多余动能，防止或减轻水流对水工建筑物及其下游河渠等的冲刷破坏而修建的工程设施，常规的消能设施有挑流消能、底流消能等。在消力池内设置消能墩或齿墩等辅助消能工，可以有效减短消力池池长和池深。

鉴于上述情况，若将底流消能改建成底流消能+消能墩联合消能，在墩后形成涡流，加强水跃中的紊流扩散，可对提高消能效率起到十分积极的作用，在经济上也十分有利。

1 北溢洪道工程概况

城西水库工程于1958年动工兴建，1965年基本建成投入运行，2010年再次进行除险加固，现已竣工，集水面积168 km2，总库容为7112万m3，按100年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核。城西水库枢纽工程由大坝、溢洪道、灌溉涵洞、非常溢洪道等建筑物组成。城西水库北溢洪道为10孔带闸门控制的泄洪闸，每孔净宽7.0 m，下游设置有二级消力池，二级消力池为底流消能+消能墩联合消能。池中设有中墩，两道八字型分流墩，分流墩与水流方向呈42°30′夹角，墩长13.2 m，墩高3.0 m。消力池中墩宽1.67 m，间距1.67 m，高2.2 m，顶宽0.4 m，坡比1∶1，尾坎为圆弧状，半径R=50 m，尾坎高度中间为2 m，渐变到两岸为1.5 m，尾坎顶宽0.4 m，坡比1∶0.5。

FLOW-3D软件采用RNGk-ε三维水流数学模型、VOF方法和单相流体模拟消能池水流流动,应用GMRES方法求解离散方程，能够计算消能工况水流条件下消能池的三维水流情况。因此采用FLOW-3D三维数值模拟进行复核消力池结构尺寸。

2 模型建立及网格划分

本次数值模拟选择N-S方程，建立溢流坝及概化河道地形三维水流RNG、k-ε紊流数学模型，其中重要的基本方程包括连续方程、动量方程、紊动能k方程、紊动能消耗率ε方程。

FlOW-3D软件对自由表面追踪采样VOF数值法，该方法不仅克服了MACC方法的计算机所需运算内存较大和计算时间步长较长的缺点，同时也是解决流体力学水流流动的复杂问题。对于区域单元网格，F=0代表该单元是个空单元无流体；F=0～1代表该单元被流体不完全充满；F=1代表该单元被流体完全充满[1]。

按原型1∶1建立几何实体模型，模型范围从二级跌水进口至消力池出口。建立模型时分别考虑消力池末端桥墩施工前后两种情况，建立对照模型。计算区域采用自由网格法，两个模型划分网格方式与参数相同，全部用结构化正交网格来划分。为提高计算效率、节约计算时间，本次研究采用分级划分网格，对水流不会通过的区域不划分或少划分网格（少划分网格是为了保障各级网格间有效衔接），以网格单元总数控制划分精度，网格总数约为270000[2～3]，模型及网格划分示意图见图1、图2。

图1 模型示意图

图2 网格划分示意图

3 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；上游为水位、流量边界；下游为消力池末端水位；壁面采用无滑移边界条件。

初始条件:堰体两侧设定初始水体范围，并且给定初始水位，水面水平，压力为静水压。

计算工况分为30年一遇，其中30年一遇最大下泄流量200 m3/s情况下，上游水位19.79 m，下游消力池水位10.6 m。

4 计算参数设定

（1）通用设置

设置模型计算时的计算时间、流体种类、单位、计算控制条件等选项。该设置对全局有效，并影响建模时其他参数的设置。针对本次研究，计算时间设置为100.0 s，选择不可压缩、单一流体，国际单位制，以时间作为计算结束控制条件。

（2）物理模型设置

该菜单下包含各种物理参数、物理方程的选择与设置。针对本次研究，设置Z轴重力加速度为-9.81 m/s2（FLOW-3D以竖直向上为Z轴正方向），选择牛顿流体黏性方程，并选择考虑摩阻。

（3）流体选定

选择国际单位制下20℃水体（水体的相关参数均为此条件下的数值，如黏滞度0.001，密度1000 kg/m3等）。

5 水流流态和流速

在流量为200 m3/s、下游水位为10.76 m的情况下，当流动基本稳定、跃后流速和水深变化很小时停止计算。上游水位分布较为均匀，水流通过泄槽末端后水位急剧变化，在消能池内部扩散掺混；水流在消力池中发生淹没式水跃，水流回流漩滚剧烈，水流内部产生摩擦和掺混作用，水流经过消能池后水面恢复平整。水流出泄槽后，在一级消能池内形成水跃三维效果图及水压力分布图见图3、图4。跃首水流流速为4.8 m/s，Fr=1.82＞1.7，形成完全水跃，流态为急流；消力池坎顶水流流速为3.2 m/s，Fr=0.95＜1.7，水流均匀扩散，水流平稳。

图3 三维效果图

图4 水压力分布图

6 消力池尺寸复核及成果分析

根据数值模拟，求得跃前、跃后水深h1、h2。为了分析比较有无消能墩对消力池尺寸影响，根据《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）附录A.6底流消能计算公式，计算消力池高度、池长等[4]。

计算公式如下:

式中:d为池深，m；σ为水跃淹没度，取1.05；h2为池中发生临界水跃时的跃后水深，m；ht为消力池出口下游水深，m；b为消力池宽度，m。

表1 消能防冲计算成果表 单位：m

根据计算成果，由于受消能墩迎拒水流，对水流的作用产生反作用力，设有消能墩的消力池跃前流速明显小于无消能墩情况。

消力池长26.0 m，消力坎高度1.5 m～2.0 m。根据现状消能防冲计算成果，消力池能满足能消能防冲要求。

7 结语

（1）根据北溢洪道二级消力池计算成果，水流在消力池能形成完整水跃，池后水流流速也较小，对下游的冲刷作用也较弱，但是入池和跃首部位的流速相对较大，应注意加强结构强度和抗蚀防护。

（2）应用FLOW-3D软件对消力池水流进行数值模拟，可以直观观察水流运动规律，分析水流流速、水压力分布等，解决复杂消能工的计算问题，快速优化消力池结构尺寸。

（3）消能墩的消能效果与它的型式、尺寸、布置以及泄流情况、下游水深等有直接关系（如池内水深较深，墩的作用将减小），FLOW-3D软件可以快速优化调整结构尺寸，快速实现求解。对于小型堰闸，也可参照已建工程的试验成果和运用经验确定。

（4）在底流消力池中设置墩、坎等辅助消能工，加强紊动扩撒，提高消能效率，从而使共轭水深有所降低，消力池的长度有所缩短，有时还可以使水跃的流态稳定，但必须注意避免遭受高速水流的空蚀、磨损破坏作用，确保消能工的长期安全运行。对于漂浮物的河道或水库，同时对于水流流速大于16 m/s，辅助消能工常遭撞击破坏，不宜设置。