多孔溢流壩水閘組合調度運行方式數值模擬研究

2019-08-08 01:03:34丁磊

水利科技與經濟 2019年7期

丁磊

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000)

1 研究背景

在水利工程中，大壩的調度運行需要由閘門進行控制，合理的調度方式對大壩的泄流及防止洪澇災害起著至關重要的作用。隨著工程運行特點及要求的不同，其閘門運行調度的方式也不盡相同。為了更好調節水庫上游水位進行防洪消能，同時保證大壩安全運行，對壩體閘門調度運行研究顯得極為重要。

目前，許多學者通過試驗、數值模擬對閘門調度運行進行了研究。如車清權[1]等通過對三峽水利樞紐泄洪調度進行水力學試驗研究，得到各孔按均勻、間隔、對稱的原則開啟閘門及對深孔和表孔泄洪調度優化方案。張海光[2]等以華安水電站為例，通過建立物理模型研究多閘孔泄洪的水力特性，得到華安水電站啟閉泄洪優化方案。關大瑋[3]等采用Flow-3d模擬高壩閘孔泄流的三維流場，將數值模擬值與物理模型試驗進行對比，結果表明壩面水深、流速以及摻氣濃度都比較接近，模擬效果較好。李占松[4]通過對南水北調中線工程節制閘啟閉時相應的控制運行方式進行研究，得出了合理的調度運行方案。權新芳[5]通過對寶雞市攔河閘平板鋼閘門的運行實踐進行研究，提出科學的調度運行方案。以上學者均從不同角度對大壩閘門調度運行進行研究，但對溢流壩閘門組合開啟方式的調度運行研究還是很少。因此，本文針對多孔溢流壩水閘組合調度運行方式進行研究，以期為類似工程運行管理提供理論基礎。

2 數學模型

本文以Flow-3d計算軟件中的RNGk-ε模型來模擬水流運動，而VOF法在模擬自由表面上具有較好的追蹤性[6]。對于整個模型的域中某個單元網格，F=0代表單元網格無流體；F=0～1代表單元網格流體部分充滿；F=1代表單元網格流體全充滿[7]。網格劃分采用矩形網格進行劃分，平均網格單元為1 m，網格數量約為150萬。具體連續方程、動量方程、紊動能K及ε方程如下：

2.1 控制方程

連續方程：

動量方程：

紊動能k方程：

Gk-ρε

紊動能ε方程：

2.2 參數設置

邊界條件：上游進水口設置流量邊界，下游出口設置自由出流邊界，模型正上方設置大氣壓力邊界，模型底部所在面采用固體邊界。

初始條件：溢流壩上游設置初始水位60 m，下游河道設置初始水位30 m，給定初始流量Q=600 m3/s。

2.3 模型驗證

為驗證數學模型的可靠性和準確性，根據模型的實際參數，設定Q=600 m3/s三孔閘門全開進行數值模擬，將數值模擬結果與試驗結果進行對比分析，具體見表1、圖1。

表1 閘孔流速

圖1 挑流水面線

表1是Q=600 m3/s時開啟三孔閘門開情況下，溢流壩閘孔實測平均流速和數值模擬結果對比，兩者誤差較小。圖1是Q=600 m3/s時開啟三孔閘門開情況下，溢流壩閘孔挑流水面線，在A、B、C 3個斷面處的水面線基本相似。

3 閘門組合開啟數值模擬

模型是三孔對稱閘門溢流壩，根據閘門組合開啟方式，可分為開啟1孔即開啟1號孔或2號孔、連續均勻開啟2孔即開啟1#2#孔(由于閘孔是對稱性，將開啟1#2#號工況等同于開啟2#3#號工況)、連續均勻開啟3孔即開啟1#2#3#孔，一共4種組合開啟方式。根據預設定的流量，在上游水位60 m、下游水位30 m情況下，溢流壩的閘孔從右岸到左岸依次編號為1#、2#、3#，具體見圖2。

圖2 溢流壩閘孔編號

4 模擬結果及分析

4.1 流態

在同一流量下，不同的閘門組合開啟會使壩面及水舌水流的形態發生變化。為了更好研究由于閘門組合開啟方式不同對水流形態的影響，根據數值模擬結果得到如下流態圖，具體見圖3。

圖3 池流流態

由圖3可知，開啟1#閘孔，水流有邊墻的束縛在壩面擴散程度較小，水舌入水厚度較厚且較遠，主要集中在右岸側；開啟2#閘孔，水流沒有邊墻的束縛在壩面擴散程度較大，水舌入水厚度較薄且較近，主要集中在左右岸中間；同時開啟2孔，即開啟1#2#閘孔水流受單一邊墻和自身水流影響，在壩面交匯擴散程度較大，水舌入水厚度薄且近，主要集中在近右岸側；同時開啟3孔，即開啟1#2#3#閘孔水流受雙面邊墻和自身水流的影響，在壩面交匯擴散程度最大，水舌入水厚度很薄且很近。

4.2 壩面壓強

溢流壩在不同的閘門組合開啟方式下，壩面的時均壓強都會不同。為了更好比較4種閘門組合開啟方式的效果，本文進一步研究壩面壓強，具體見圖4。

根據圖4可知，對于同等流量下4種組合開啟閘門方式，沿水流方向壩面壓強均呈先減小后增大再減小穩定的趨勢，其中最大壓強在壩頂處均為30 kPa，最小壓強在壩頂和反弧段之間的斜面處。而開啟1#閘孔、開啟2#孔、同時開啟1#2#閘孔壩面最小壓強均為0 kPa；同時開啟3孔壩面存在負壓，最小為-0.5 kPa。