基于ANSYS-Fluent 的沉沙池改进设计下三维流场分析研究

鲁 洪

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）

1 概述

沉沙池乃是水利枢纽工程中重要排沙、冲沙的水利设施[1-2］，其运营可靠性对水利枢纽水沙演变、泥沙淤积等均有影响，而沉砂池内由于水沙演变关系，池内渗流场特征受结构设计影响显著[3-4］，因而研究沉砂池的设计方案，对推动沉砂池流场稳定性与沉沙运营可靠性兼具价值。吕会娇等[5］、职承杰等[6］基于水工模型复制比例理论，设计了沉砂池、消能池等水工结构模型，开展了相应的渗流试验，分析了池内渗流场特征，评价水工结构设计参数下体型优化。高兴辉[7］、刘许超等[8］采用数值计算方法，对沉沙池、闸门等水工结构的静、动力特性开展计算分析，探究不同运营工况荷载下水工结构应力、位移变化特征，丰富了水工结构设计优化研究成果。对于水工结构三维流场计算问题，范海东等[9］、郭鑫等[10］采用Flow 3D、Fluent 等计算手段开展了消能池、溢洪道及沉沙池渗流特征分析，探讨了三维流场内流速、水面线等特征参数影响特性。本文为研究桂北水利枢纽沉沙池结构翼片设计优化问题，采用ANSYS-Fluent 开展沉沙池斜板翼片设计改进，从水力特征角度遴选最优方案。

2 工程建模分析

2.1 工程概况

北江上游桂北地区水资源丰富，计划分期建设一水电站枢纽工程，一期规划投入运营工程包括有发电厂房、防洪主坝及沉沙池与冲沙闸等排沙设施。由于上游北江、珠江等支流流域内人口活动，溢洪道、发电引水口等区段泥沙悬浮、沉降较多，水位受泥沙影响，削弱水利工程运营效率，因而工程管理部门计划在一期工程中建设冲沙闸与沉沙池。沉沙池设计剖面见图1，包括有引水渠、扩散段及池内沉沙段及下游泄流通道，冲沙闸建设在沉沙池尾端。该沉沙池整体高程分布为345.822 m～346.968 m，池内坡度为1／100，全长为12 m，扩散段宽度为7 m。在确保沉沙主池运营安全可靠的前提下，计划对该沉沙池进行设计改进，提升其沉沙效率与泄流期安全综合稳定性，采用斜板沉砂池作为结构设计体型，池内配置有斜板构件，覆盖有翼片等挡流结构，设计长度为0.3 m～0.45 m，斜板与翼片为平行相贴合布置，水平夹角为60°，结构设计概化见图2。为确保该斜板沉砂池改进后不影响池内渗流场稳定性，考虑以沉砂池斜板翼片高度H 为研究对象，探究其对沉沙池水力特性影响。

图1 沉砂池总体设计剖面图

图2 沉砂池结构设计

2.2 设计模拟

为分析斜板式沉沙池翼片高度参数H 对池内渗流场及水力特性影响，对池内沉沙模型、泥沙悬浮运动状态进行概化分析，图3 为池内泥沙颗粒悬浮迁移运动演变概化示意。斜板式沉沙池运营期内上游引水明渠中水流进入扩散段后削弱水动力势能，沉积一部分泥沙，而在扩散段其泥沙颗粒沿着斜板表面运动，颗粒碰撞的过程中沉积至斜板与翼片下方。沉沙池进、出水段分别设置为弧形触水面，与水流方向分别呈95°、65°。

图3 泥沙沉降概化图

采用ANSYS 完成该斜板式沉沙池结构几何建模，见图4（a），由于斜板构件为沉沙池重要组成部分，因而独立提取其几何模型，见图4（b）。几何模型简化了进、出水段，且省略尾端冲沙闸结构，重点分析流体运动下斜板翼片设计对池内渗流场影响。经ANSYS 几何模型完善后，导入至CFD 计算Fluent 流场软件中[4，9］，采用不规则四边体为沉沙池网格划分单元体，划分后三维流场计算模型见图5。该模型共有88274个微单元，75486 个节点，网格单元最小体积为6.3528×10-9m3，在图4（b）所示的斜板构造处进行加密划分，该部分区域网格覆盖密度较之其他非加密区域增大了33.5%。模型中顶、底面分别气液二相交流边界与液相独立边界。本文模型中X～Z正向分别为出水渠方向、斜板倾斜向及水体竖直向下。

图4 斜板式沉砂池模型

图5 沉砂池三维计算模型

改进后沉沙池铺设有间距为1 m 的翼片，其高度按照不超过池宽度的3／4 设定，池深宽度为8 m，因而本文设定翼片高度H 计算方案为1 m～6 m，各方案间阶次为1 m，且设定有无翼片斜板式沉沙池方案，以翼片高度为0 m 指代。计算工况中初始泥沙含量输入为1.5 kg／m3，流速为1.2 m／s。基于Fluent 计算不同设计方案下斜板式沉砂池渗流场特征，探讨斜板上翼片设计参数的影响变化特性。

3 沉沙池水力特征影响

3.1 流速

由于斜板式沉沙池翼片高度设计参数差异，池内流速会有相应影响，图6 为翼片高度不同方案下池内流速等值线与断面变化特征。

从图6（a）中可知，不论翼片高度为何值，流速等值线走向与水流方向均一致，且均以水面线流速最高，即翼片高度设计参数对流速等值分布影响较小。从池内流速等值线分布来看，翼片高度5 m、6 m 方案中池内中、下游等区段聚集有涡旋流等现象，高、低流速在该区域内发生水力动势能的“碰撞”，极易引发池内水流的翻滚、扰动及漩涡等现象，不利于水体冲砂、排沙[11］，故从沉沙池运营考虑，翼片高度不应过大。

分析图6（b）可知，斜板增设翼片方案下，其流速水平均高于无翼片方案，翼片高度1 m、4 m 方案下流速水平较之无翼片方案分别增长了38%～68.9%、1.75～3.3 倍，即增设翼片高度对沉沙池流速提升具有显著效果。当改变翼片高度时，池内沿程断面流速具有差异性，且翼片高度与池内流速水平为正相关关系，在池内断面2.4 m 处翼片高度1 m 方案下流速值为0.03 m／s，而高度3 m、4 m、6 m 方案下流速较之分别增大了35.7%、65.4%、85.6%，表明增大翼片高度，沉沙池内流速可增大，对水体排沙、冲沙具有正面作用。在翼片高度1 m 方案下沿程断面平均流速为0.025 m／s，而随高度方案阶次递增1 m 时，沿程平均流速的增幅达18.4%，但增幅最大集中在翼片高度1 m～4 m 区间，该区间内平均流速的最大增幅为26.8%，平均增幅为22.3%，而在翼片高度超过4 m 方案平均增幅仅为9.8%，表明翼片高度设计参数对沉沙池断面流速促进作用为减弱态势。对比沿程流速变化可知，当翼片高度超过4 m 后，受限于局部漩涡流影响，其峰值流速断面具有差异性，高度5 m、6 m 方案中峰值流速分别为0.066 m／s、0.074 m／s，位于断面8.4 m 处，且在该断面周围具有流速波动性。高度1 m～4 m 方案内峰值流速分布为0.033 m／s～0.054 m／s，均为断面3.6 m，沿程流速稳定性均较佳，从“上-中-下游”沿程断面，流速为先增后减变化。综合分析可知，翼片高度超过4 m 后，流速稳定性欠佳，且漩涡等非稳定渗流易引起流速波动段。

图6 翼片高度影响下流速变化（图（a）从下至上分别为高度0cm、2m、4m、5m、6m）

3.2 压强

图7 为斜板翼片高度设计参数影响下池内时均压强变化特征。分析压强变化可知，压强水平最高为翼片高度4 m 方案，随翼片高度增大，池内压强为先增后减变化；对比沿程平均压强也可知，无翼片方案中沿程平均压强为6.6 kPa，而增设翼片后，高度1 m 方案下平均压强为9.92 kPa，随高度方案阶次每增长1 m 下，在高度1 m～4 m 区间内沿程平均压强的增幅为28.1%，而超过高度4 m 区间内平均压强具有降幅17.3%。从压强量值对比来看，应控制翼片高度在低于4 m，更有利于池内气液固三相分布，限制泥沙颗粒运动，降低水体泥沙悬浮量[10］。

图7 沉沙池沿程断面压强特征

池内沿程断面上压强均为递增，以出渠口处压强值最高，在高度1 m～4 m 方案内沿程压强增幅均较稳定，各方案断面间平均增幅分布为5.7%～8.2%，以高度4 m 方案下压强受影响敏感度最高。而在高度超过4m 方案内， 压强在断面0～7.2 m 内具有递增特性，而在临近出渠口断面处压强呈稳态分布，压强递增效应受限制，甚至高度6 m 方案在断面9.6 m 后高度6 m 方案的压强水平低于高度3 m 方案。综合压强特征可知，翼片高度4 m 下，沉沙池内水力特征技术优势最大，对沉沙、排沙运营具备更高的可靠性。

4 沉沙池水沙特征分析

图8 为本文模拟计算运营期500 d 时池内含沙量变化特征。

图8 沉沙池运营期500d 含沙量变化特征

分析图中含沙量变化可知，翼片高度愈大，则含沙量水平愈低，翼片高度1 m 方案下断面平均含沙量为3.47 kg／m3，而随翼片高度每米递增，其平均含沙量的降幅为13.1%，由此表明，翼片高度愈大，对池内排沙、沉沙效率具有促进作用。另一方面，池内断面含沙量均为递增特征，以出渠口含沙量水平最大，翼片高度1 m 方案中各断面间含沙量的增幅为4.8%，在翼片高度3 m、4 m 方案中相应的增幅分别为4.2%、3.2%，即翼片高度愈大，断面含沙量水平控制效果愈佳，但是在翼片高度5 m、6 m 方案中含沙量的增幅分别“慢-快”两阶段，两个方案均在断面4.8 m 后出现含沙量的快增变化，该断面后含沙量的平均增幅分别可达7.2%、11.6%，即翼片高度愈大，由于对水体控制性欠弱，因而含沙量水平在一定断面区间上会“脱离”斜板沉沙、排沙控制[12］，导致含沙量出现高增幅阶段。综合池内水力特性及水沙演变，认为翼片高度4 m 时沉沙池结构设计水平最优。

5 结论

（1）翼片高度对池内流速等值线分布影响较小，但高度5 m、6 m 方案内流速等值线分布存在涡旋，且在峰值流速断面周围区域存在流速波动段；翼片高度愈大，流速愈高，但增幅集中在高度1 m～4 m 方案，超过高度4 m 后平均增幅仅为9.8%。

（2）各翼片方案中以高度4 m 下压强水平最高，在翼片高度1 m～4 m 与4 m～6 m 梯次方案内，分别具有平均增幅28.1%与降幅17.3%；盖度4 m 方案下断面间压强增幅最高，而高度5 m、6 m 方案临近出渠口压强增长停滞。

（3）翼片高度与含沙量水平为负相关，翼片高度方案每梯次下，池内断面含沙量的降幅为13.1%；池内断面间含沙量为递增变化，但高度5 m、6 m 方案在断面4.8 m 前、后的递增呈“慢-快”两阶段特征。

（4）综合流场计算，沉沙池翼片高度4 m 方案下排沙、冲沙设计最优。