基于数值模拟的某工程溢洪道方案比选

李桂青 桑林瀚 禹胜颖 吕会娇

随着数值模拟计算技术的不断完善，利用各类流体计算软件来分析流场特性已得到越来越广泛的应用。相比于物理模型试验，数值模拟具有适应能力强、提供细腻的流场特征值、取得成果迅速、便于方案比选、花费少等优点。本文采用FLOW-3D 软件对某工程溢洪道不同的设计方案进行比选研究。

1 工程概况

某工程溢洪道分2 种方案布置，分别为陡槽方案和比选方案。陡槽方案溢洪道泄水净宽度63 m，堰顶高程1 810.80 m。上部布置交通桥，桥宽3.5 m，设桥墩2 个，每个宽1.5 m。上游为引水渠，长约45 m，控制段长11.6 m，下接泄水槽，泄水槽长度65 m，坡度i=36.4%，然后接挑流底坎，挑流消能。比选方案溢洪道泄水净宽度46 m，堰顶高程1 810.80 m。下接泄水槽长度为102.76 m，泄水槽分为三部分：缓坡段，坡度i=4.6%；弧线段，转弯半径50 m；陡坡段，坡度i=1∶1.5。泄水槽后接挑流底坎，挑流消能。陡槽方案和比选方案具体布置如图1 所示。

图1 溢洪道剖面图

2 网格划分及边界条件

本次数值模拟计算区域主要包括上游库区、溢洪道引水渠、控制段、泄槽段、挑坎段及尾水渠，计算模型按照比尺1∶1 建立。网格划分采用笛卡儿正交结构网格，上游库区网格大小为1 m，在引水渠网格局部加密，网格大小为0.5 m，自控制段至尾水渠，网格大小采用0.5 m×0.5 m×0.3 m。网格总数约1 100 万个。

3 计算结果

3.1 泄流能力

陡槽及比选方案在不同水位工况下的泄流能力曲线如图2 所示，不同水位下陡槽及比选方案的计算流量均略大于设计流量。

图2 陡槽及比选方案泄流能力曲线

3.2 水面线

本次分析主要针对校核洪水位工况，该工况上游水位1 816.40 m，陡槽方案计算流量1 773.14 m3/s，比选方案计算流量1 741.02 m3/s。

陡槽方案及比选方案泄洪中心线及闸墩中心线沿程水面线分布如图3 所示，图中实线为泄洪中心线沿程水面线，虚线为闸墩中心线沿程水面线。陡槽方案闸墩末端水流出现脱壁，随着水流汇合，闸墩中心线上水深增大，之后水面线分布与泄洪中心线基本相近，由于泄槽段宽度不变，水深沿程变化不大。比选方案水流在收缩段从两侧边墙偏向中心，并在收缩段下游发生交汇，泄洪中心线及闸墩中心线上的水面线受边墙收缩的影响，先升高后下降。

图3 泄洪中心线及闸墩中心线沿程水面线

3.3 流速

校核洪水位工况陡槽方案泄洪中心线上堰顶临底流速为9.49 m/s，上下游堰面的临底流速均小于堰顶。水流进入泄槽段后，流速逐渐增大，泄槽段末端临底流速为20.57 m/s。进入反弧段，临底流速先减小后增大，挑坎出口临底流速为22.04 m/s。闸墩中心线上临底流速分布与泄洪中心线基本相同，泄槽段末端底流速20.36 m/s，挑坎出口临底流速22.44 m/s。

校核洪水位工况比选方案泄洪中心线上堰顶临底流速为8.92 m/s，上下游堰面的临底流速均小于堰顶。泄洪中心线上水深在收缩段末端开始壅高，因此，该处临底流速较小，为5.90 m/s。自弧线段开始，泄槽坡度逐渐增大，流速迅速增加，至陡坡段中间位置泄洪中心线上临底流速为19.91 m/s，闸墩中心线上临底流速为19.82 m/s。进入挑流反弧段，临底流速先减小后增大，泄洪中心线上挑坎出口临底流速为22.01 m/s，闸墩中心线上挑坎出口临底流速21.82 m/s。陡槽方案及比选方案泄洪中心线沿程流速分布矢量图如图4 所示。

3.4 沿程时均压力

校核洪水位工况陡槽方案底板泄洪中心线及闸墩中心线沿程压力分布相近。驼峰堰堰顶压力较小，但未出现负压。泄槽段压力呈下降趋势，至反弧段压力开始上升，最大压力出现在挑坎反弧段底部。边墙压力沿程变化规律与底板相近。在堰顶及泄槽段末端位置边墙压力较小，但未出现负压，在挑坎反弧段底部位置边墙压力达到最大。

图4 泄洪中心线沿程流速分布矢量图

校核洪水位工况比选方案底板泄洪中心线及闸墩中心线沿程压力分布相近。驼峰堰堰顶压力较小，但未产生负压。泄洪中心线上两侧水流交汇位置水面壅高，压力较大。水流进入弧线段，压力开始减小，在弧线段末端产生负压。堰面最大压力出现在挑坎反弧段底部。边墙压力沿程变化规律与底板相近。在堰顶及弧线段末端位置边墙压力较小，但未出现负压。边墙压力在挑坎反弧段底部位置达到最大。陡槽方案及比选方案底板及边墙沿程压力分布如图5 所示。

图5 底板及边墙时均压力分布

3.5 流态及挑距

陡槽方案和比选方案在不同工况下，泄流孔口入流较为平顺，水流经驼峰堰沿泄槽段下泄，在出口由挑流鼻坎挑出。比选方案中水流受收缩段影响在中心交汇，水面壅高，相比陡槽方案水面波动较大。陡槽方案及比选方案在校核洪水位下的流态如图6、7 所示，两种方案在不同工况下的水舌挑距见表1。

图6 校核洪水位下陡槽方案流态

图7 校核洪水位下比选方案流态

陡槽方案挑坎出口挑角为30°，比选方案挑坎出口挑角为45°，比选方案挑角较大，且两种方案在挑坎出口处流速大小相近，因此，比选方案水舌挑距更远。不同工况下，比选方案受边墙收缩的影响，水面壅高，挑坎出口水深均大于陡槽方案，挑距范围也较大。

表1 水舌挑距

4 结 语

通过数值模拟计算表明在陡槽方案和比选方案下，溢洪道泄流能力的数值模拟值均大于设计计算值，满足工程的泄洪要求。本文详细分析比较了两个方案在校核工况下的水面线、流速、时均压力分布、流态及挑距等的数值计算结果，可为设计人员在方案比选时提供有价值的参考。