差動式挑流鼻坎反弧段三維建模研究

虞佳穎，劉進寶，陳建旭 ，萬 倫，羅 旭

(1. 浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231；2.西昌學院，四川 西昌 615013；3.宜賓市長寧縣水利局，四川 宜賓 644300； 4.國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 成都 610000)

為確保水庫大壩和人民群眾的財產安全，汛期泄水建筑物承擔著重要作用。2020年，三峽水庫首次開啟十一孔泄洪，下泄流量達到49200m3/s；新安江水電站首次九孔全開。下泄水流的巨大能量，容易對下游河床產生沖刷坑[1]，不利于泄水建筑物的穩定。因此大多采用挑流消能形式予以消除。在研究挑流鼻坎的挑距等水力特性時，數值模擬研究手段具有節省水工模型試驗成本、計算耗時短、計算結果可靠性高等優勢。

挑流鼻坎根據形狀不同，分為連續式、差動式、窄縫式、擴散式[2- 4]。其中連續式挑坎最為簡單，消能效果相對較差，高速水流下泄時容易產生空蝕空化。目前水工設計手冊中普遍采用的挑射距離估算公式[5- 6]和沖刷坑深度計算都是基于最基礎的連續式挑坎。隨著新型挑坎的發展，不同反弧半徑、高低坎的挑角取值，對挑流鼻坎的水力特性[7]有所影響。因此，研究新型挑流鼻坎的體型參數對研究消能效果有重要意義。

已有一些學者采用數值模擬手段對挑流消能開展研究。閆謹[8]等人采用RNGφ=9.8；c=12.2 湍流模型對扭曲斜切型挑坎進行多相流的數值模擬，得到了與模型試驗吻合度較高的水舌挑距和挑高；施小金[9]用CAD軟件建立小灣河臺階溢洪道的三維模型后，利用ICEM CFD軟件劃分網格，然后按定常流進行數值模擬，發現臺階上的湍動能以及湍動能耗散率分布規律大致相同，并得到臺階的負壓區分布位置，進一步探求減少空蝕空化發生的方案。

雖然前人已對挑流鼻坎展開數值模擬研究，但所建立的數值模型大多采用CAD軟件，而CAD軟件本身更適合于二維圖紙的繪制。在三維建模方面并不具有優勢。本文采用Gambit軟件三維建模，有利于構建挑流鼻坎的反弧曲線段，為挑流消能的數值模擬研究提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

本文以龍興橋水庫為例研究建模，該水庫位于浙江省杭州市余杭區。水庫樞紐工程包括黏土心墻壩、圍堤、溢洪道及放水設施等。溢洪道位于大壩右壩肩處，放水設施布置在溢流堰右側。

1.2 溢流堰情況

曲線形狀的溢洪道位于大壩右側山坳間，現有溢洪道堰頂高程17m，溢流堰堰腹采用漿砌石澆筑，溢流堰底寬為7m，溢洪堰橫剖圖如圖1所示。可從圖1中看出溢流堰高約為6.8m，溢流末端采用連續式挑流鼻坎。

圖1 溢洪堰橫剖圖

因為僅對溢流堰的挑流鼻坎進行三維建模，與大壩上下游坡比等因素無關，所以可將上述工程實例進一步簡化，如圖2所示，僅保留溢流堰的體型參數的幾何尺寸。

圖2 原型連續式挑坎斷面圖

連續式挑坎的挑腳取值為20°，并且反弧半徑段為曲線，考慮到與溢流堰堰面的銜接，此處為三維建模的重點和難點所在。

2 原型挑坎的三維建模

2.1 原型挑坎的二維計算區域

從溢流堰頂取計算區域，速度進口考慮到設計洪水位，因此和壓力進口預留0.5m的高度。加上溢流堰的高度約為6.8m，因此整個二維計算區域的豎向高度為7.3m。保持工程實例中溢流堰面坡比和反弧半徑、挑腳為20°不變，坎頂的高程為12.17m，下游河道高程與溢流堰底部保持一致，均為10.2m。為研究下游河道的水流情況，先采用式(1)估算挑流水舌外緣挑距，然后建模時預留5m的下游河道長度。考慮到溢流堰的原長為7.39m，因此二維計算區域在縱向上的長度為12.39m。閉合計算區域如圖3所示。

圖3 原型連續式挑坎的二維計算區域

挑流消能的水力設計包括計算水舌挑距。挑流水舌外緣挑距估算公式如下：

(1)

式中，L—挑流水舌外緣挑距，m，自挑流鼻坎末端算起至下游溝床床面的水平距離；v1—鼻坎坎頂水面流速，m/s，可取鼻坎末端斷面平均流速v的1.1倍；θ—挑流水舌水面出射角，(°)，近似為鼻坎挑角，本文取20°；h1—挑流鼻坎末端法向水深，m；h2—鼻坎坎頂至下游溝床高程差，m，如計算沖刷坑最深點距鼻坎的距離，該值可采用坎頂至沖刷坑最深點的高程差。

2.2 原型挑坎的三維計算區域

將CAD中的二維平面圖輸出文件格式選定為ACIS。打開Gambit時，選擇Working Directory 為二維圖紙保存的路徑，導入并打開。在界面右側選擇默認的Operation中選擇Geometry，然后選擇Volume中選擇Sweep Faces(掃略面成體)。然后勾選要掃略拉伸的藍色面，選定Path為Vector(矢量)，因為要將縱剖面圖沿著Z軸正向拉伸。再用Define定義掃略的長度，即溢流堰寬度。

按照上述方法可以生成體Volume 1是溢流堰計算域的外緣總輪廓體，而Volume2為連續式溢流堰的本身形狀。再選定Unite Real Volumes，將兩個實體模型合并求差。

在Geometry下的第一個選項Vertex(點)，可以獲得某點的具體坐標位置，即可得目前整體模型與三維坐標原點之間的距離，然后將整體模型通過Volume下的Move/Copy Volume 選項移動到三維坐標原點。將模型命名輸出model A.x_t格式文件保存。具體原型挑坎三維計算域如圖4所示。

圖4 原型挑坎的三維計算域

2.3 計算區域命名

注意將速度進口velocity inlet和壓力進口pressure inlet進行區分，計算區域的四邊都命名為邊界boundary ，對于溢流堰堰體則可以命名為wall，按照直線段或反弧半徑的曲線段分別命名為wall1，wall2，依次類推。出流為outflow，即自由出流。

3 差動式挑坎的三維建模

3.1 差動坎的二維圖紙

結合差動坎的體型，需要預先勾畫兩個不同的面進行三維拉伸，面的繪制方案見表1。

表1 差動坎建模的預設面

差動式挑坎的二維計算區域如圖5所示，依據上述的繪圖要求，所包含了兩個預設面Face1 和Face2。區別主要在于面的局部線條有重合，但在挑角處有不同。拉伸后流經兩個不同面的水流將會產生不同的挑出射流，因此達到撕裂水舌的效果。

圖5 差動坎的二維計算區域

3.2 差動坎的三維模型

對預設面分別進行拉伸。考慮到差動坎的寬度需要和原有連續式挑坎保持一致，因此設置兩個差動坎，各自寬度2m，三個零度出射的寬度為1m。注意間隔布置需要在建模軟件中依次完成。最后將五個拉伸體積合并，即可完成。最終的建模如圖6所示。

圖6 差動坎的三維模型

4 結語

本文基于連續式挑坎的工程實例，首先對原型挑流鼻坎進行三維建模，然后推廣到更復雜的差動式挑坎。通過對差動式挑流鼻坎反弧段的建模研究，可得出如下結論：

(1)利用二維圖紙進行挑流鼻坎的平面圖繪制，然后再用Gambit軟件進行拉伸三維建模是可行的，尤其適合曲線等反弧段的繪制建模。

(2)在普通連續式挑坎的基礎上，可運用三維建模軟件更改為差動式挑坎，為調整消能方案提供參考借鑒。

(3)差動式挑坎的三維建模可以更改反弧半徑、挑射角度等體型參數，有利于設置多組不同體型參數的挑坎對比研究消能效果。

(4)Gambit的三維建模需要預設面，并注意依次拉伸，最后一步合并多個拉伸體，才能形成閉合完整的計算區域。