博斯坦水庫(kù)表孔溢洪洞水力特性研究

羅昌輝

（新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

博斯坦水庫(kù)工程位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)策勒縣博斯坦鄉(xiāng)，該工程是阿克塞音河的控制性工程，以灌溉為主。水庫(kù)總庫(kù)容804萬m3，表孔溢洪洞布置在右岸壩肩，控制段采用WES堰，無閘控制。表孔溢洪洞側(cè)堰與側(cè)槽呈90°布置，由引渠段、側(cè)堰、側(cè)槽、調(diào)整段、上平洞段、斜井段、下平洞段、泄槽段、消能段等部分組成。表孔溢洪洞設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，下泄流量為165.0m3s；校核洪水位時(shí)，下泄流量為245.0m3s。

調(diào)整段長(zhǎng)20.0 m，縱坡i=0，底板高程3 040.800 m，為8 m×10 m的城門洞斷面。上平段長(zhǎng)148.028 m，縱坡i=0.002，底板高程3 040.800～3 040.525 m，采用城門洞型，斷面由8.0×10.0 m漸變?yōu)?.0×9.0 m。渥奇曲線段長(zhǎng)28.645 m，曲線方程為Y=0.002X+0.02X2，底板高程3 040.525～3 028.025 m，斷面形式為8.0 m×9.0 m城門洞型。斜井段長(zhǎng)57.429 m，縱坡i=1，底板高程3 028.025～2 987.417 m。斜井段前20 m為漸變段，斷面形式為城門洞型，斷面由8.0 m×9.0 m漸變?yōu)?.0 m×5.0 m。反弧段長(zhǎng)15.486 m，半徑20.0 m，圓心角α=43.282°，反弧末端底板高程2 981.568 m，斷面形式為城門洞型，斷面尺寸為4.0 m×5.0 m。下平洞段長(zhǎng)61.298 m，縱坡i=0.03，底板高程2 981.568～2 979.730 m，斷面形式為城門洞型，斷面尺寸為4.0 m×5.0 m。下平洞段末接渥奇段，渥奇段長(zhǎng)18.862 m，曲線方程為Y=0.03X+0.004545X2，底板高程為2 979.730～2 977.579 m，斷面形式為4.0 m×5.0 m城門洞型。渥奇段后接泄槽，消力池。

2 研究方法

本次研究采用數(shù)學(xué)模型，利用犀牛軟件建立溢洪洞三維模型[1]、FLUENT軟件[2，3]分析計(jì)算溢洪洞水庫(kù)正常水位運(yùn)行工況下的水力特性[4]。數(shù)學(xué)模型基本參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)表

3 研究過程

3.1 建立三維實(shí)體模型

在犀牛軟件中將溢洪道模型建立，保證模型的完整性以及沒有外露邊緣，確保模型為實(shí)體模型（見圖1）。

圖1 溢洪洞三維實(shí)體模型

3.2 模型劃分網(wǎng)格

由于FLUENT軟件不具有前處理功能，所以必須借助其他前處理軟件，常用的有GAMBIT、ICEM、TurboGird、HyperMesh等。在本次計(jì)算中，采用ANSYS旗下自帶的ICEM前處理工具，主要包括CAD幾何建模處理、網(wǎng)格生成處理、網(wǎng)格優(yōu)化處理、網(wǎng)格輸出處理四大模塊。具有以下特色功能：豐富的幾何接口、強(qiáng)大的幾何拓?fù)涔δ堋缀涡∶鏌o關(guān)性、強(qiáng)大的六面體網(wǎng)格生成技術(shù)、四/六面體混合網(wǎng)格生成技術(shù)等。

CFD的工作的80%是集中于前期的畫網(wǎng)格，優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格對(duì)后期的計(jì)算提供便利，所以應(yīng)當(dāng)重視畫網(wǎng)格，同時(shí)，ICEM網(wǎng)格輸出可滿足不同的求解器，如ANSYS、ABAQUS、CFX等，對(duì)ICEM的學(xué)習(xí)也為其他有限元軟件的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。網(wǎng)格不允許存在負(fù)體積，負(fù)體積網(wǎng)格將不被求解器接受，以行列式（Determinant3×3×3）為判定指標(biāo)，正常網(wǎng)格取值范圍0～1，比值為1時(shí)表示完美網(wǎng)格，比值越低表示網(wǎng)格越差，對(duì)于FLUENT來說，比值0.1以上是可以接受的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分技術(shù)路線見圖2，實(shí)體模型風(fēng)格劃分見圖3。

圖2 網(wǎng)格劃分技術(shù)路線

圖3 實(shí)體模型網(wǎng)格劃分

3.3 FLUENT計(jì)算

采用有分界面的VOF模型，用來追蹤兩種或者更多不相容流體的界面位置，界面跟蹤通過求解連續(xù)方程完成，通過求出體積分量中急劇變化的點(diǎn)來確定分界面的位置。混合流體動(dòng)量方程采用混合材料的物質(zhì)特性求解，因而混合流體材料物質(zhì)特性將在界面上經(jīng)歷突變。混合流體同樣考慮了湍流方程和能量方程，考慮了表面張力和壁面粘性效應(yīng)。

利用工作站多核并行運(yùn)算，加快計(jì)算速度，在計(jì)算前期，為確保水流條件及收斂，采用固定步長(zhǎng)，觀察計(jì)算結(jié)果調(diào)整固定步長(zhǎng)數(shù)，在計(jì)算后期采用變化步長(zhǎng)，加快收斂速度。當(dāng)入口流量與出口流量近似一致時(shí)，就可以認(rèn)為結(jié)果收斂。

在設(shè)計(jì)洪水位3 049.800 m時(shí)，表孔溢洪洞進(jìn)口流量為165 m3/s，進(jìn)口流速為5.876 m/s。經(jīng)過計(jì)算，其整體水面線如圖4所示。

圖4 溢洪洞整體數(shù)學(xué)模型水面線

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠度，整體溢洪洞進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)水面線結(jié)果如圖5所示。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)模型和物理模型水面線結(jié)果基本一致，說明數(shù)學(xué)模型中的建模建立、網(wǎng)格劃分、邊界的選取是合適的。

圖5 溢洪洞整體物理模型水面線

4 結(jié)論

本文采用犀牛軟件建立數(shù)學(xué)模型，ANSYS旗下自帶的ICEM前處理工具進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，F(xiàn)LUENT軟件計(jì)算分析溢洪洞整體水力特性，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并通過物理模型試驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證，更充分說明了數(shù)學(xué)模型建立的方法及結(jié)果是合適的，對(duì)工程前期的研究設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。