燕尾挑坎挑射水流数值模拟

夏鹏飞， 韩红亮， 赵 英， 杜 璇， 杜万军

(杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100)

1 研究背景

挑流消能具有构造简单、灵活，便于维修，投资省的优点，一直是水利水电工程中最常用到的消能方式之一。它是借助泄水道末端设置的挑坎，使下泄高速水流自由抛射在空气中扩散、掺气乃至碰撞，同时利用水舌跌入水垫塘形成淹没射流的紊动扩散，以及水股与四周水体、壁面旋滚的剪切作用，来消散下泄水流的巨大动能[1]。挑流消能工的核心设计之一是挑坎体型，随着坝工技术的蓬勃发展，连续坎、斜切坎、窄缝坎等陆续都得到了广泛应用，窄缝挑坎多用于峡谷高坝泄洪建筑物的末端，使水流纵向拉伸，保护峡谷高岸坡稳定，但由于边墙的急剧收缩，水流对侧墙的冲击作用非常大，挑坎的悬臂边墙承受很大的动水压力，侧墙结构设计十分困难[2]。而燕尾型挑坎不仅能形成典型的窄缝水舌，挑坎侧墙所承受的压力也大大降低[3]，这种新型挑坎主要是通过带缺口的反弧底板及其上部结构对水流的作用，使水流出坎后形成了窄而长的水舌，因此将这种新型挑坎命名为“圆弧底板漏空挑坎”。目前已有科研学者对燕尾型挑坎着手研究，邓永婷[4]利用Fluent软件，对挑坎侧墙、底板的压力分布、对出挑段水舌的流量分布进行了数值模拟研究。夏鹏飞[5]采用标准的k-ε紊流模型，结果表明采用三维数值模拟方法对燕尾形挑坎进行研究是可行的。朱利[6]探索了在高重力坝的溢流坝出口端设置燕尾形挑坎后，采用内缘切口处底板切线方向作为水舌出射挑角，利用抛射体公式计算挑距存在较大误差。毛栋平[7]、程文磊[8]在其他工程中，进一步验证了此种挑坎对上游来流的适应性良好。综上所述，目前学者们对燕尾型挑坎的研究取得了丰硕成果，但是对其的水力特性认识和窄长水舌形成的机理研究不足，加之水流紊动剧烈，控制的参数较多，基于以上理由，科研工作者对燕尾形挑坎还需进行深入分析和研究。

本文结合某狭窄河道水电工程溢洪道挑流消能进行数值模拟研究，由于下游河道较窄，水舌的扩散受到限制，经过试验优化采用了燕尾型挑坎。本次计算选用标准k-ε紊流模型，以流体体积方法(volume of fluid，VOF)跟踪自由水面[9]，较为精确地模拟了空中水舌形态及水舌流速，为试验提供了可靠的依据。

2 数学模型与边界条件设置

控制方程采用标准的k-ε双方程紊流模型,自由水面追踪采用目前应用较成熟的VOF方法。本次计算模型为了还原工程实际情况，包含引渠段、溢流堰、收缩段、掺气槽、泄槽段，整体的网格间距均为2 cm，对重点区域的网格进行了加密处理，计算区域网格以结构化网格为主，挑坎段少量为非结构化网格，计算域的网格数为130万。

采用流速进口边界条件，下游出口边界设为均匀流出口边界，壁面采用无滑移边界条件，模型顶部与空气接触的表面设为压力进口边界。

3 计算结果及分析

3.1 水舌形态分析

本次数值模拟水舌挑距与模型试验实测结果吻合良好，模拟水舌结果三维展示如图1所示，挑流水舌在竖直平面内呈现燕翅状扩散，从燕尾挑坎末端位置挑射出的水流，在燕尾型挑坎的约束条件下，由两燕尾出射的水舌由于抛射点不等但却连续的分布使得水舌在空中相互拉伸形成一层连续较薄的帘状水面，扩大了入水宽度，入射到下游较远的河道时一定程度降低了对下游河床的冲击，落下水舌也顺着水流方向，大部分被下放水流带走，有利于下游流态的稳定。水舌侧视图如图2所示，挑流水舌在竖直平面内呈扫帚状扩散，水舌上缘与下缘翻卷剧烈，上缘凸起，下缘同向凸起，增大了水舌与空气的接触面积，使水舌掺气更加充分，同时翻卷水舌适当减小了雾化的影响范围．水舌俯视形态如图3所示，水舌自挑坎出射后，宽度沿纵向迅速减小，在纵向呈“一”字，既在纵向拉伸充分，降低了单位面积内的入水量，又很好的解决了河道狭窄与水舌宽度之间的矛盾。

图1 水舌轴视图 图2 水舌侧视图

图3 水舌俯视图

3.2 水舌速度特性

为了便于观察水舌速度的连续变化特征，故沿程截取了12个水舌断面．对比沿程速度云图4和矢量图5，由断面 1、2 知，水舌流经挑坎的过程中，水流在燕尾形挑坎上的运动过程中，由于受到缺口处压力突然释放的影响，底板附近靠近缺口处的水流首先在横向压力梯度的作用下产生横向流动，然后，挑坎上的水流持续受到横向压力梯度的作用，横向流速不断增加，随着流动的继续，水面高差也不断增加，开口处中间部分水体下沉，两侧开始上升，越远离挑坎，该变化越剧烈，到了3～12断面，随着坎上水流不断从缺口处挑出，坎上的水深在不断减小，因此坎上靠近边墙处的水体内部压力在不断减小，压差也在不断减小，最终导致了横向流速的减小。最大流速均集中在底端，可见水舌出射后，大部分水体集中在底部，“燕翅”部分水体分布较少但掺气明显，速度较底部偏低。在断面7处，水舌位置达到最高，位能最大，继续沿挑距方向运动则为位能转化为动能，由速度云图和矢量图可见断面8～12处，水舌流速在底端沿程逐渐增加且较为明显，在顶部变化并不剧烈，这也是顶部水体较少，掺气较多所致。

图4 水舌流速变化云图 图5 水舌流速变化矢量图

4 结 语

本文采用Fluent计算软件模拟了溢洪道出口燕尾挑坎的水舌射流情况。展示了挑射水舌形态和水舌沿程流速变化：(1)水流流经燕尾形挑坎时，大部分水体首先由挑坎缺口区域出射；剩余水体沿缺口两侧有一定曲率的底板出射，出挑水流整体上形成窄而薄的水流形态，竖向及纵向扩散显著；(2)水舌自挑坎出射后，既在纵向拉伸充分，降低了单位面积内的入水量，又很好的解决了河道狭窄与水舌宽度之间的矛盾；(3)水舌流速在底端沿程逐渐增加且较为明显。