水电站泄洪底孔水力学特性数值模拟

李 琨

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

近年来,因洪水影响而造成水工建筑结构破坏的案例不断涌现,通常在水工建筑上游修建泄洪建筑以排除多余洪水,对下游水利工程起到有效的保护作用。水利水电工程泄洪底孔是较为常见的泄洪水工建筑物,其主要包括有压段、明流段及出口挑流鼻坎等部分,因技术和分析手段所限,目前所进行的泄洪底孔水力特性相关分析中,物理模型试验方法应用较为广泛,该方法费时费力,且无法获取流场全域水力数据。随着计算流体动力学的发展,数值模拟技术逐渐兴起,并能有效辅助传统模型试验法以克服传统分析方法的种种弊端。

当前理论界对泄洪底孔的研究较少,泄洪洞底孔作为重要的泄洪水工建筑物,其结构型式会因水文地质条件及泄洪要求的不同而不同,为此,必须进行泄洪底孔运行过程中水力学特性以及实际水流条件可能影响的分析,全面了解流场特性。

1 工程背景

某兴建在新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县境内的二级水电站工程,其站址与上游已建H 水电站相距1.0 km,与下游哈尔莫墩水电站、和静县及库尔勒市距离分别为23.8 km、87.6 km 和128.7 km。根据可行性论证,该兴建水电站采用中闸址方案,并按照Ⅳ等小（1）型建设,主要水工建筑物有首部枢纽、引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房。该水电站工程现有四孔泄洪闸分别设置于河道右岸主河槽处,泄洪闸设计单孔净宽10.0 m,底板设计高程为1345 m,考虑到冲砂的便利,将临近进水口处的底板高程降低为1344.6 m,闸段高8.1 m、宽48.7 m。闸孔孔口宽10.0 m、高8.1 m,每孔均设置弧形工作闸门和检修闸门各1 道。

泄洪底孔坝段与表孔坝段右侧为紧邻关系,底孔按1 孔设计,而且底孔主要设置在总宽度17 m 的坝段内,由此所形成的泄洪底孔全段长47.8 m,均根据有压孔口出流的相关要求设置,以保证其所具备的放水及施工期导流的功能作用能顺利发挥。泄洪底孔进水口主要采用喇叭口型式设计,泄洪底孔进水口的顶部以及侧墙处均按照椭圆形弧形曲线的型式设计。底板则为水平状态,并在进口处增设一道平板事故闸门,出口处属于压坡段,为保证出口处作用的顺利发挥,在此处增设一道弧形工作闸门,进出口处的闸门均通过液压启闭机启闭。

2 数值模拟

2.1 紊流模型

k～ε方程因充分考虑到紊动能和耗散率的输运过程,对复杂剪切紊流预测结果也较为合理[1],在当前水工建筑物水力学特性模拟方面应用也较为广泛。为此,本研究主要采用标准紊流k～ε方程进行水电站泄洪底孔水力学特性数值模拟。

式中：ρ为流体密度,kg/m3；为水分子动力粘滞系数；k 为紊动能,J；ui为i 向速度分量,m/s；uj为j 向速度分量,m/s；ε为紊动能实际散失率,%；t 为时间,s；p 为压力修正值,kPa；xi为坐标分量；ut为紊流粘性系数；σk为紊动能k 所对应的Prandtl 数,取1.0；σε为紊动能耗散率ε所实际对应的Prandtl 数,取1.3；C1ε、C2ε为常数,分别取1.44 和1.92；Gk为紊动能k 在速度梯度均值影响下的产生项。

2.2 模型构建及网格划分

将该水电站泄洪底孔结构简化后创建计算区域坐标系,x轴向代表水流方向,以上游35.0 m～下游187.3 m 断面为计算区域；y 轴向代表水流断面方向,以0～46.0 m 为计算区域；z轴向代表水位高程方向,以1230.0 m～1294.0 m 为为计算区域。速度入口和压力入口共同构成上游计算区域的左边界,速度取0.45 m/s,压强则选用标准大气压,压强入口构成计算区域上边界。计算模型内的泄洪底孔主要包括明渠段和有压段两个部分,应用ICEM-CFD 有限元分析软划分模型网格,并对泄洪底孔网格加密处理[2]。共划分出30 万个网格单元,28 万个节点,具体划分情况见图1。

图1 泄洪底孔网格划分

以库水位为界限,将模拟区域进口划分为上、下两个部分,并分别设置为压力进口和速度进口（具体见图2）,其中速度v 主要根据库区泄流量整体值Q 和进口断面面积A 予以确定,即v =Q/A；出口则按照空气压力出口设置。紊动能k= 0.00375 v2,紊动能耗散率 ε= k1.5/ 0.4 H0,其中H0为初始尾水深（m）。考虑到上下游水库、闸槽通气孔均直接接触明流泄槽自由水面和大气,故应按照空气压力进口边界设置,且总压力为标准大气压。泄洪底孔侧壁面与底面均按固体无滑移边界设置,越临近壁面则雷诺数越小,分子粘性影响程度也越显著[3]。

图2 计算区域进口划分情况

3 结果及分析

通过FLUENT 软件,分别进行设计洪水位、校核洪水位两个工况下该水电站泄洪闸门全开时泄洪底孔实际运行情况的数值模拟和结果分析,所设定的收敛控制条件为进出口流量差≤2%。根据数值模拟所得到的两个不同工况下泄洪底孔水力学参数取值具体见表1。

表1 设计洪水位和校核洪水位工况参数

3.1 水面线及水流流态

通过数值模拟可以将水面线简化为水-气二相界面,二相云图见图3,分析后所给出的水面线结果主要为体积分数形式。在设计工况以及校核工况下,比较该水电站泄洪底孔中线沿程水面线模型试验结果和数值模拟结果,具体见图4。以该水电站泄洪底孔喇叭口入口为起点,直到压坡段出口,这一段属于有压段,故在图中只显示出了明流泄槽段所对应的水面线。在桩号67.6 m～117.6 m 段共设置7 个测点,在两种不同工况下,各测点水深计算结果和实际结果的平均误差分别位3.7%和2.45%,误差值均未超出《溢洪道设计规范》（SL 253-2018）要求,表明在两种工况下拟合效果良好。

图3 泄洪底孔水气交界面图

图4 沿程水面高程模型试验结果和数值模拟结果的比较

3.2 底板压力

从水电站泄洪底孔纵剖面底板压强分布情况模型试验结果和数值模拟结果的整体对比情况来看（图5）,两者结果吻合程度高,但仔细观察发现,在设计洪水位工况下,压强水头计算结果和实测结果的最大偏差出现在95.4 m 断面处,计算结果和实测结果分别为5.68 m 和6.79 m；而校核洪水位工况下,两者结果的最大偏差出现在73.4 m 断面处,计算结果和实测结果分别为9.69 m 和12.10 m。通过分析原因可知,物理试验模型实测压强值取某点压强,而数值模拟时的压强值为断面压强均值,这也是造成不同工况下压强水头试验结果和模拟结果偏差的主要原因。

图5 纵剖面底板压强分布模型试验结果和数值模拟结果的比较

根据对设计工况和校核工况下该水电站泄洪底孔压力等值线的分析得出以下结论：两种不同工况下,其底孔压力等值线具有相同的分布规律,且有压段进口压力大,出口压力小；明流段反弧区压力增大趋势明显。挑流鼻坎坎顶处负压最大达到-43.1 kPa,形成其较大负压的主要原因在于水流与坎顶平台脱离的同时形成空腔。

3.3 沿程流速分布

在该水电站泄洪底孔明流泄槽段选择7 个断面进行沿程流速测量,测点桩号及测量结果具体见表2。通过分析设计洪水位和校核洪水位工况下沿程流速值测量结果可知,两种工况下,流速试验值和流速模拟值的误差均较小,且试验结果和模拟结果在变动趋势上拟合较好,能体现出该水电站泄洪底孔流速沿程变动趋势规律。

表2 沿程流速测量结果

4 结论

通过对新疆某水电站泄洪底孔水力特性物理模型试验结果和数值模拟结果进行比较发现,两者拟合效果良好,在泄洪水工建筑物水力特性分析中数值模拟方法切实可行。该水电站泄洪底孔在设计洪水位和校核洪水位两种工况下均存在负压,且最大负压大值-43.1 kPa 主要出现在挑流鼻坎顶端,应加强该泄洪底孔体型的优化设计,具体可以将其明流泄槽出口型式调整为窄缝挑坎型,并辅之以单侧收缩窄缝消能工。本研究分析结果也表明,在处理复杂水力学问题方面广泛应用的水工模型耗时长,且很难获得流场全域水力数据,数值模拟建模简便易行,更能调整和优化工况及水工建筑物结构型式,模拟过程及计算结果详尽,在水力学特征分析及数值模拟方面,应将两种方法有机结合,以提高模拟分析结果精度。