某水庫溢洪道明渠擴散段三角翼體型參數設計優化

黃智峰，鄢慧歡

(江西華欽建設工程有限公司，江西 南昌 330038)

水利水電工程中，擴散過渡段的位置和形態會直接影響到工程的安全運行，必須認真設計和施工[1]。當前，在水利水電工程設計中，為了滿足國家和行業標準中關于擴散段擴散角的要求，一般會采取增加過渡段長度的方式。但是，在部分水利水電工程建設中，受壩址區地質以及空間限制，不得不使用較短的擴散段長度，而選擇大擴散角過渡[2]。但是，相關學者的理論研究和工程實踐也證明，如果擴散段的擴散角過大，邊界對水流的影響作用就會顯著增強，進而導致水流斷面的能量分布不均，導致顯著的側壁回流、邊界脫流以及主流偏流等問題，從而影響水工建筑物的正常使用，情況嚴重的還會危及水工建筑物的安全[3]。由此可見，對于沒有足夠空間布置小擴散角過渡段的水利水電工程，如何對大擴散角條件下的水流進行控導和干預是亟待解決的工程問題，而這也正是當前水利工程建設領域的薄弱之處，該領域的研究成果也必將具有巨大的理論和實踐應用價值。相關工程經驗表明，在擴散段設置潛沒式三角翼能夠對該部位的水體流動起到有效的控制作用，屬于比較有效的控導手段，但是如果三角翼設置不合理，仍會產生比較明顯的回流區[4]。因此，有必要就三角翼對擴散段的水流控導效果進行深入研究。

1 計算模型的構建

1.1 幾何模型的選擇

本次研究的原型選擇某水庫工程溢洪道明渠擴散段，該水庫位于江西省，下游距離縣城約35km。該水庫的主要任務是城市供水，同時兼具防洪和下游農業灌溉條件的改善。水庫的設計庫容為1.6億m3，工程等別為Ⅱ等。水庫的永久性建筑物主要包括大壩、副壩、溢洪道和輸水設施。考慮本文研究的重點與計算的復雜程度，幾何模型選擇的是溢洪道擴散段以及上游的直線窄段50m和下游直線寬段120m。

1.2 模型的構建

模型創建是流體數值模擬研究的基礎和關鍵環節。結合本次研究對象的實際特點以及相關研究經驗，采用ANSYS三維建模軟件進行研究對象的幾何建模，利用FLUENT軟件進行數值計算模型的構建[5]。一般情況下，模型的網格劃分越密集，計算精度越高，但是計算量也會急劇增大，因此，本文對三角翼部分采用混合網格劃分[6-8]，最終獲得294110個網格單元，244268個計算節點，過渡段混合網格示意圖如圖1所示。

圖1 過渡段混合網格示意圖

1.3 邊界條件

結合本次研究的實際情況以及平面大擴散角銜接過渡段流動數值模擬研究的相關成果，設定如下邊界條件：對于模型的入口選取液相速度入口邊界條件與氣相壓力入口邊界條件[9-10]。具體而言，根據模型入口部位的設計流量，計算入口邊界均勻來流條件。對于模型的出口，設置壓力出口邊界條件，根據某水庫下游的實測水位設置水流自由面的高程，本次研究的模擬工況全部為平面大擴散段兩相流問題，模型下游出口處的水流可以自由發展，沒有回流現象出現；模型設置為無滑移的固壁邊界條件。

2 三角翼數值模擬優化研究方案

2.1 優化研究的關鍵參數

擴散段三角翼的幾何體型特征主要受如下參數控制：①分流度(α)，一般情況下該角應設定為單側擴散角的2倍，同時要保證與來流相適應；②三角翼的潛沒度(h)，增大三角翼的高度有利于提高水流控制能力，但同時會增大水力損失，從而在三角翼的后部產生回流區；③三角翼的長度，也就是控導度(η)，該參數主要影響三角翼的控導范圍，可以對擴散段的水流流態以及水流動量的調整強度產生顯著影響；④三角翼的攻角，也就是攻流度(θ)，也就是三角翼的翼弦與擴散段來流之間的夾角，其大小可以對匹流和控導效果產生直接影響。此外，三角翼的豐滿度(b)、回流度(φ)以及位置度(λ)也是影響三角翼幾何體型的重要因素。

2.2 模擬研究方案設計

目前，水利工程研究中三角翼的體型參數優化數值模擬方案并不明確，因此，本次研究基于上節提出的主要控制參數，探索三角翼體型優化設計的數值模擬方案，為研究的順利進行打下良好基礎。在工程研究中，控制變量法是針對多因素問題的有效研究方法，理論上，我們可以通過上述方法尋求每個三角翼控制參數的最優值，并最終確定出三角翼體型設計的最佳方案。在具體的研究方案設計中，結合相關演技成果與方便后期結果分析的考慮，僅對控導度、攻流度2個無量綱控制變量進行優化研究，研究方案見表1。

表1 計算方案設計

3 模擬計算結果分析

3.1 攻流度模擬計算結果

利用上節構建的模型，對不同攻流度條件下的溢洪道擴散段流場進行模擬計算，結果顯示：利用a型三角翼體型設計時，水流的流態和整體分布比無控導條件下表現更為穩定，回流區長度明顯減小，強度也有所降低。但是在邊壁的部分區域產生一定的邊界層分離現象，兩側均出現了范圍較大的不對稱型漩渦，主流位置存在一定程度的偏移，流速的不均勻性仍舊較大；在利用b型三角翼體型設計時，水流的流態和整體分布與a型基本相同，但是兩側漩渦的范圍區強度有所增加且中心有向下推移的趨勢，下游主流受兩側剪切擠壓，擺動不穩定現象比較明顯；在利用b型三角翼體型設計時，兩側邊壁部位的動量明顯增加，邊界層分離不復存在，下游主流偏移現象消失，但是在翼后方存在范圍不大的回流區，使單寬動量不均勻度增大，影響范圍也顯著增加，呈現出矯枉過正的情況。

為了對擴散段三角翼控導效果進行定量分析，根據模型計算結果繪制出不同計算工況下的各個計算斷面的水流單寬動量不均勻度變化曲線，結果如圖2所示。由圖2可知，b型三角翼的控導效果最優，因此，就本次研究的某水庫溢洪道擴散段而言，攻流度的優化取值為0.75，也就是取67.5°的攻流角。

圖2 不同攻流度斷面單寬動量不均勻度

3.2 控導度模擬計算結果分析

利用上節構建的模型，對不同控導度條件下的溢洪道擴散段流場進行模擬計算，結果顯示：利用d型三角翼體型設計時，擴散段邊壁位置不存在明顯的邊界分離，主流也不存在偏移現象。但是，在三角翼的后方存在一定范圍的匯流區，水流流速呈現出兩側大中間小的特征，由于兩側水流速度較大，造成左右激蕩作用明顯；利用e型三角翼體型設計時，在溢洪道擴散段的左側存在呈條帶狀分布的回流區，并且隨著三角翼長度的增加，在三角翼的后部和右側出現了一定范圍的弱流區，在一定程度上降低了擴散段的過流能力。

為了對擴散段三角翼控導效果進行定量分析，根據模型計算結果繪制出b、d、e型工況下各個計算斷面的水流單寬動量不均勻度變化曲線，結果如圖3所示。由圖3可知，d型三角翼的控導效果最優，因此，就本次研究的某水庫溢洪道擴散段而言，控導度的最優取值為0.4，也就是三角翼的長度為4.0m。

圖3 不同控導度斷面單寬動量不均勻度

4 結論

本次研究以某水庫溢洪道擴散段為工程背景，利用CFD和FLUENT軟件對大擴散角條件下的三角翼優化設計進行數值模擬研究。結論對推動大擴散角過渡段水流調整以及邊界層控制流域的理論完善，促進復雜邊界條件下的輸水工程設計具有重要理論意義和實踐價值。但是，由于三角翼輪廓和造型的復雜性，使數值模型研究中的網格剖分仍存在一些問題。例如混合網格剖分雖然可以較好體現計算域的完整性，但是會造成交界面網格質量的降低。今后研究中需要探尋更好的網格剖分方式，避免網格剖分質量帶來較大的計算誤差。