閘墩迎水面角度對拱壩挑流影響的數值模擬研究

胡海松，卓 林，王 兵

(1.安徽省建筑工程質量監督檢測站，合肥 230000； 2.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景及意義

在水利工程設計和研究領域，閘墩迎水面的形狀及角度設計一直是水利專業人員重點關注的問題。目前，大多數的閘墩迎水面都是弧形，因為閘墩引水面弧形在水流沖擊下使水流產生不同程度的變化，且對水流的流態及流速影響起著決定性作用。

閘墩的形式多種多樣，經閘墩的水流受閘墩引水面的角度影響。如水流流經閘墩時受邊墩和中墩的側向收縮的影響，水流存在流態的擾動及流線的變化，這對能量的損失及水流的流速影響極大，為此需要根據閘室的實際情況，設計合理的閘墩形狀及引水面角度[1-3]；在有閘墩的大壩過流研究中，水流受到閘墩的阻礙變得紊動及在閘墩引水面和閘室處產生旋渦，為此有些學者認為造成帶閘墩的大壩過流能力降低主要是水流在受閘墩側面影響發生拐彎，使得水流發生旋流及斷面水流分布不均勻[4-5]。針對前人對閘墩影響水流的過流能力影響研究，本文主要通過計算機軟件建立數學模型，研究閘墩引水面為40°，50°，60°共3種角度情況下的水力特性的變化情況，通過分析得到較優的閘墩引水面角度，以期為類似工程研究提拱理論參考。

2 模型建立及驗證

2.1 模型建立

以某實際拱壩為基礎，按照水力相似準則建立三維正態物理模型，物理模型幾何比尺為1∶50。為研究閘墩迎水面不同的角度對拱壩挑流的水力特性影響程度，以該拱壩為例，通過CAD建立三維數學模型，將所研究的水力學問題轉換為數學計算，三維數學模型見圖1。

圖1 三維模型

2.2 數學模型選擇

對于拱壩挑流的水氣二相流的沖刷問題，FLOW-3d的模擬主要優勢在于RNGk-ε模型對自由表面上擬合具有較好的連續性[6]，模型的網格劃分有結構劃和非結構劃形式，本文主要選擇較穩定的結構劃網格劃分方法，對于模擬精度較高的閘墩區域采用圈套加密網格，模型單元網格邊長為1 m，網格總數約500×104個。

2.3 控制方程

Flow-3d軟件主要是通過數學迭代方程式將復雜的水力學問題轉化為數學計算，因此對于迭代方程的選擇也是很重要的，本文主要的迭代方程式如下：

連續方程：

運量方程：

紊動能k方程：

式中：ui為XYZ3個方向的流速分矢量；Ai和Aj為XYZ3個方向上流體的面積分數；gi為XYZ3個方向上的流體的重力加速度；fi為3個方向上的流體的黏滯力；Vf為流體的體積分數；ρ為該流體密度；p為作用在流體上壓力；k為流體紊動能；μ，μt則分別為流體動力黏滯系數和紊動黏滯系數；Cε1，Cε2為經驗常數[7]。

2.4 邊界及初始條件設置

邊界條件：拱壩上游設置流量邊界且控制初始水位，拱壩下游河道出口界面為自由出流，整個模型的正上方與大氣接觸故設置為大氣壓力邊界，模型正底部設置為固體邊界。

初始條件：拱壩挑流上游初始水位為80 m，拱壩下游初始水位為30 m；模擬的整個過程給定流量Q=1 200 m3/s，初始步長S=0.01 s。

2.5 模型的驗證

為驗證所建的數學模型、數學方程選擇、初始條件設定的準確性，將數值模擬結果與拱壩正常水位同等流量運行條件下的水力參數進行對比，主要驗證閘孔流速與挑流水面線具體結果，見表1、圖2。

表1 拱壩閘孔流速

表1是Q=1 200 m3/s時拱壩挑流3個閘孔的平均流速，將數值模擬結果與實驗值進行比較分析，誤差范圍為2.13%～2.70%，誤差相對較?。粚⒐皦翁袅魉婢€的實測數據繪制在流態的云圖上，見圖2。由圖2可知，實測水面線與數值模擬值基本吻合，因此所建數學模型準確可靠，可以研究本文所提出的閘墩引水面角度優化比選。

圖2 水面線

3 數值模擬分析

為研究閘墩迎水面的不同角度對拱壩挑流的水力特性影響，本文主要對3種不同角度的閘墩迎水面進行數值模擬分析，通過對閘孔流速、閘孔壓強、挑流水面線、下游流速進行重要的水力參數分析。閘墩迎水面角度模型見圖3。

圖3 3種角度閘墩迎水面模型

3.1 閘孔流速

不同引水面角度的閘墩水流流態和速度在閘孔處將會發生變化，為研究3種不同角度迎水面閘墩閘孔流速的差別，將數值模擬結果進行對比，見表2。

表2 拱壩閘孔流速

由表2可知， 閘墩引水面角度不同3個閘孔的平均流速在2#閘孔處最大，相對50°引水面閘墩的閘孔平均流速較40°和60°小。閘孔平均流速受閘墩前端與水流接觸面積及閘墩引水面角度共同影響，一方面在一定角度范圍內，閘孔平均流速隨著角度的增加而減??；另一方面60°，50°，40°閘墩前端與水流接觸面積依次增大，隨著接觸面積的增加水能與閘墩磨損消耗越大，能量一定消耗越大平均流速越小。在50°相比40°，受到閘墩迎水面角度影響比閘墩前端與水流接觸面積影響大，因此水流在50°閘孔處平均流速較小。50°相比 60°，受到閘墩前端與水流接觸面積影響比閘墩迎水面角度影響大，因此水流在50°閘孔處平均流速較小。綜上所述，50°引水面閘墩對水流阻礙和影響相對較小。

3.2 挑流水面線

拱壩挑流水面線受邊墻、流量、水位、閘墩等多種因素的影響，本文在此主要考慮閘墩的迎水面角度變化對其產出的變化。數學模擬3種引水面角度閘墩的拱壩挑流情況，通過后處理軟件Tecplot將模擬的云圖后處理，具體見圖4、表3。

圖4 各工況閘孔水面線

表3 特征點水舌厚度

根據數值模擬結果，對圖4中的1-1，2-2，3-3三處的挑流水舌進行數據處理。由表3可知，閘墩引水面角度不同3個閘孔的水舌厚度呈先減小后增大趨勢，相對50°引水面閘墩的1-1、2-2、3-3三處挑流水舌較40°和60°的薄。由于50°引水面閘墩處水流沖刷較小，在水流流量守恒下，在接近閘墩挑流面中下段部分時由于能量與水流變化，50°閘墩水流水舌擴散程度較40°和60°閘墩水流水舌要大，因此相對挑流面中下段部分50°引水舌厚度薄。

3.3 下游平面流速

對于拱壩水氣兩相流沖擊的水力學問題，下游的流速分布情況是比較重要的參數，這不僅僅影響下游河道消能措施的選擇，也影響拱壩及兩岸邊坡的穩定性。為此本文對3種引水面角度閘墩的拱壩挑流對下游流速的影響進行數值模擬，通過0rigin軟件對數值下游水位H=25 m處進行切片處理，具體見圖5。

圖5 下游平面流速

圖5中，各個角度的引水面閘墩下游水面流速最大均為20 m/s。由于引水面閘墩對水流流動和形態有極大的影響，相對50°引水面閘墩對下游河道的沖刷影響比40°和60°的小， 同時50°引水面閘墩的下游河道流速最大值分布區域較小，對下游河道沖刷影響較小。

4 結 論

1) 通過Flow-3d軟件建立準確可靠的數學模擬，可以研究復雜的水力學問題，同時對于方案優化及比選準確可靠，經濟快速。

2) 通過數學模擬發現，3種不同角度的引水面閘墩主要影響較大的是閘孔流速及下游河道平面流速極大值區域分布情況，對水舌厚度影響較小。

3) 各個角度的引水面閘墩下游水面流速最大均為20 m/s，且50°引水面閘墩的對下游河道的沖刷影響比40°和60°的小， 同時50°引水面閘墩的下游河道流速最大值分布區域較小，對下游河道沖刷影響較小。