新疆五一水庫消力池懸柵消能水流水力特性數值模擬

李園園，牧振偉，吳戰(zhàn)營，孫陽平，王國偉，王軍委

(新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊830052)

0 引 言

在工程中，為了保證水流正常平穩(wěn)的流向下游，防止河床沖刷，盡可能消除水流的動能，消除波狀水躍，常采用消力池進行消能[1]。因此，它的完善對水利樞紐的安全運行有直接影響，當前水工設計中采用的消能方式有底流式、面流式和挑流式三種，針對不同的水頭及地形條件采用不同的消能方式，最常用的是底流式[2]。然而，在新疆五一水庫中，導流洞出口若采用底流消能，在低水頭、大單寬流量及高水頭、大流量的泄水建筑物中均適用[3]，水流流態(tài)雖然穩(wěn)定，但底孔泄流如果要兼顧排沙功能，消力池內就不宜采用輔助消能工，考慮到地形、消力池尺寸的限制，可以通過加懸柵提高消能率，保證建筑物安全。

水利工程研究中數學模型已被廣泛應用，它為原型提供了簡潔的形式化語言，有助于人們全面、系統的把握問題的全部特征或結構[4]。對不同工況進行研究時較方便、簡潔，可以克服模型試驗的一些不足之處，使試驗快速、準確和全面地進行，另外還可以對模型試驗進行檢驗，在研究中采用VOF流體體積法對懸柵消力池進行數值模擬，為設計研究提供可靠的依據。

1 工程概況

迪那河五一水庫樞紐工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺縣群巴克鄉(xiāng)境內，具有工業(yè)供水、防洪、灌溉等綜合效益。

水庫正常蓄水位1 370.0 m，設計洪水位1 370.3 m，校核洪水位1 373.14 m。初期導流最高水位1 322.16 m，導流隧洞泄流量402.86 m3/s，導流兼泄洪沖沙洞導流；后期導流最高水位1 331.60 m，導流隧洞泄流量474.97 m3/s導流兼泄洪沖沙洞導流。設計洪水下，導流隧洞泄流量758.48 m3/s，校核洪水位下，導流隧洞泄流量722.99 m3/s，導流洞出口采用消力池消能，消力池底部高程為1 275.0 m，消力池邊墻高18 m，消力池深8.4 m，消力池寬度16 m。由于原消力池達不到預期消能效果，因此通過設置懸柵改善池內水流條件，最大程度消能，圖1為懸柵消力池結構尺寸圖。

圖1 懸柵消力池結構尺寸

2 數學模型[5]

2.1 VOF方法

在數模計算中，采用VOF法以流體在網格中所占的體積比函數F來構造和追蹤自由面。

對流場中任意一點(x，y)，定義函數f(x，y)如下:

守恒形式的傳輸方程表示為:

通過求解該連續(xù)方程來完成水氣界面的跟蹤，采用集合重建格式來確定自由水面的具體位置。

2.2 控制方程

不可壓縮非定常流的基本微分方程包括連續(xù)方程、動量方程、紊動能 k方程及紊動能耗散率ε方程。可分別表示如下:

連續(xù)方程:

動量方程:

紊動能方程(k方程):

紊動能耗散率方程(ε方程):

以上表達式中，i=1，2，3，即{xi=x，y ，z}，{ui=u，v，w}，j為求和下標；方程中通用模型常數 Cμ=0.09 ，Cε1=1.44 ，Cε2=1.92 ，σk=1.0 ，σε=1.3 。

采用有限體積法對控制方程進行離散，數值計算采用基于同位網格的SIMPLE(Simi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)法。

3 網格劃分與邊界條件

建立二維數學模型，消力池模擬區(qū)域范圍:樁號0+467.617-0+684.045。

由于原消力池幾何邊界較規(guī)則，因此，采用四邊形結構網格進行網格劃分，而在懸柵消力池中，懸柵的置入，使得池中懸柵周圍幾何邊界不規(guī)則，則布置了三角形非結構網格。為獲得精確數據，對懸柵消力池懸柵附近進行局部網格細化，整個模擬區(qū)域的計算網格劃分見圖2。

圖2 懸柵消力池計算網格劃分

對于恒定流量的泄流，采用速度進口邊界。根據物理模型試驗中的水庫水位、泄流量大小換算成進口流速給定；出口邊界條件采用壓強出口邊界，其總壓強為大氣壓強；上邊界采用壓強進口邊界，其總壓強為大氣壓強；整個溢洪道固壁上給定法向速度為零和無滑移條件，湍流近壁的粘性底層采用壁函數法來處理。

4 計算結果與分析

通過運用FLUENT流體力學軟件對水流運動進行模擬計算，得到消力池模擬區(qū)域沿程水深、底部壓強、流速等水力參數。將校核工況下的懸柵消力池數值計算與模型試驗的數據進行對比。

4.1 沿程水深

圖3為懸柵消力池內水深計算值與實測值的對比情況。從圖3中可以看出，懸柵消力池內計算水深與模型試驗值基本相符合，在樁號0+600.0 m處水深略有增大，主要由于柵條引起水躍后移造成的。在圖3中，模型試驗與數值計算均能反映池內水深變化情況，并且二者誤差較小。

圖3 懸柵消力池模型試驗和數值計算水深對比

4.2 底部壓強

在實際工程中，壓強經常起著決定性的作用，通常在壓強較小或有負壓的區(qū)域易引起空蝕、氣蝕等破壞[3]，因此在模型試驗中，測量壓強是非常重要[6]的。圖4為懸柵消力池底部壓強計算值與實測值的對比情況。從圖4中可以看出，數值計算的壓強分布與模型試驗實測值較好的吻合，數值計算彌補了模型試驗中測壓點布置不準確的缺點。

4.3 流速

在工程設計中，流速對比是確定斷面尺寸、能量變化的有效途徑。圖5為懸柵消力池內流速計算值與實測值的對比。從圖5中可以看出，消力池內水流流速計算值與模型試驗情況總體上是一致的。在懸柵消力池內，水流與柵條碰撞產生損失，導致流速降低，數值計算更確切的反映這一變化，確定出各斷面的流速值。

圖4 懸柵消力池模型試驗與數值計算底部壓強對比

圖5 懸柵消力池模型試驗與數值計算流速對比

4.4 水流流態(tài)

對加懸柵和不加懸柵的消力池，通過水汽兩相體積分數的對比，從而對水流流態(tài)進行分析。在圖6中，白色線下方區(qū)域代表水流，白色線上方區(qū)域代表氣體，白色線之間為水汽混摻區(qū)域，可以看出，懸柵消力池池內水躍躍前斷面后移，在水流與柵條相碰撞時產生了能量損失，從而更好的達到消能效果。

圖6 消力池加懸柵和不加懸柵水流流態(tài)

5 結 論

(1)利用恒定流RNG k-ε模型和追蹤自由表面的VOF法，對五一水庫消力池整體進行了數值模擬研究，通過計算，得到了消力池內沿程水深、底部壓強、流速等水力參數，并將數模計算結果與物理模型試驗結果對比分析，結果表明吻合較好。

(2)通過模擬計算可以獲得消力池內任意位置的流場結構，彌補模型試驗僅測量底板中線上數據的缺陷，為消力池優(yōu)化設計提供了可靠的依據[7]。

[1]侯 杰，成 軍，邱秀云，等.懸柵消能工水力特性研究[J].新疆農業(yè)大學學報 ，2003，26(3):1-7.

[2]邱秀云，侯 杰，王 錕.無壓隧洞洞內消能試驗研究[J].新疆農業(yè)大學學報 ，2004，27(3):62-65.

[3]吳戰(zhàn)營，牧振偉，潘光磊.導流洞出口消力池內設置懸柵消能工試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2011，9(4):39-41.

[4]李誼樂，劉應中，繆國平.二階精度的VOF自由面追蹤方法及其應用[J].船舶力學，1999，3(1):44-45.

[5]張 健，方 杰，范波芹.VOF方法理論與應用綜述[J].水利水電科技進展，2005，25(2):67-90.

[6]李風蘭，侯 杰，邱秀云，等.懸柵消力池消能特性的試驗研究[J].新疆農業(yè)大學學報，2006，29(1):63-66.

[7]侯 杰，唐 毅.懸板分層水流流動特性的測試研究[J].新疆農業(yè)大學學報，1997，20(1):56-60.