中隔墩對溢流壩挑流影響的數(shù)值模擬研究

胡海松，羅居剛

(1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，合肥 230088； 2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，合肥 230088)

1 研究背景及意義

在水利工程研究中，溢流壩是研究比較廣泛的壩體，對于溢流壩挑流水利特性的研究是大多數(shù)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，比較典型的問題是受閘墩的影響，溢流壩壩面會產(chǎn)生水翅和空蝕空化問題[1],并且水流在壩面受中墩影響交匯和碰撞對壩體穩(wěn)定性影響極大[2]。目前，向遷卿[3]通過在WES堰頂設(shè)置半圓形中隔墩，得出中隔墩對WES堰流量系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在尾坎處能力損失。朱冬晉[4]通過對3種中墩體型進(jìn)行研究分析，得出改變中墩形態(tài)能減輕水流在墩尾的對沖強(qiáng)度和有效消減水翅規(guī)模。王川[1]提出新型中墩尾墩的前后端面則為流線型曲線連接，可有效降低水翅高度和沖刷影響。

目前，國內(nèi)外大壩建筑高度都在增加，體現(xiàn)在流量大、作用水頭高等特點(diǎn)。對相同流量和水頭高情況，為保證閘門啟閉安全穩(wěn)定，有必要在溢洪道中加設(shè)中墩、增設(shè)閘門數(shù)量，有效分解集中受力作用。加設(shè)中墩后，在溢洪道中墩后常會產(chǎn)生水翅并危害建筑物的安全[1]。因此，本文通過對前人研究文獻(xiàn)進(jìn)行分析，提出在中墩后加設(shè)沿壩面方向的中隔墩，通過分析加中隔墩前后溢流壩挑流水力學(xué)參數(shù)變化情況，可以降低水翅高度和閘墩后空蝕影響，為類似工程研究提拱理論基礎(chǔ)。

2 模型建立

2.1 模型建立

以某實(shí)際兩孔溢流壩為基礎(chǔ)，按照模型測試技術(shù)水力學(xué)相似準(zhǔn)則，概化地形建立三維正態(tài)物理模型，物理模型幾何比尺為1∶30。為研究中隔墩對溢流壩挑流水力特性影響的相關(guān)規(guī)律，以該兩閘孔溢流壩為例，依靠Rhinoceros 5建立三維幾何模型，通過Flow-3d軟件，將溢流壩挑流水力學(xué)問題通過軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)迭代計算，三維幾何模型見圖1、圖2。

圖1 三維模型

圖2 加中隔墩對比圖

2.2 數(shù)學(xué)模型選擇

目前，對于溢流壩挑流的水氣二相流的沖刷問題，有RNGK-ε和K-ε兩種數(shù)學(xué)模型。RNGK-ε模型在水流分析、計算功能、水氣二相流方面要強(qiáng)于K-ε模型[5]，并且RNGK-ε模型對自由表面上擬合具有較好連續(xù)性[6]。模型的網(wǎng)格劃分選擇較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，同時對閘墩及溢流壩面進(jìn)行加密處理，模型單元網(wǎng)格邊長為0.85 m，網(wǎng)格總數(shù)約300萬。

2.3 控制方程

Flow-3d是采用結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格的FAVOR及Tru-VOF方法，可以通過數(shù)學(xué)方程迭代求解方式，模擬真實(shí)物理模型試驗(yàn)中的水流流動現(xiàn)象及各種流場介質(zhì)[7]，因此迭代方程的選擇影響模擬的準(zhǔn)確性。本文的迭代方程式如下：

連續(xù)方程：

動量方程：

紊動能k方程：

式中：ui為XYZ軸上的流速分矢量；Ai為XYZ軸上流體的面積分?jǐn)?shù)；gi為XYZ軸上的流體重力加速度；fi為XYZ軸上的流體黏滯力；Vf為流體的體積分?jǐn)?shù)；ρ為流體密度；p為作用在流體上大氣壓力；k為流體紊動能；μ、μt分別為流體動力黏滯系數(shù)、紊動黏滯系數(shù)[6]。

2.4 邊界及初始條件設(shè)置

邊界條件：溢流壩上游進(jìn)口設(shè)置壓力邊界且控制初始水位，溢流壩下游出口設(shè)置自由出流，模型左右及底部設(shè)置為固體邊界，模型上方與大氣面設(shè)置為大氣壓力邊界。

初始條件：溢流壩挑流上游初始水位為108 m，溢流壩下游初始水位為50 m；模擬的整個過程給定流量Q=300 m3/s，初始步長S=0.01 s。

2.5 模型的驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型及迭代計算方程建立的準(zhǔn)確性需要進(jìn)行驗(yàn)證，為保證數(shù)值模擬的可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。本文主要將數(shù)值模擬溢流面水面線及流速與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，見圖3和圖4。

圖3 水面線

圖4 挑流流速

在Q=300 m3/s時，驗(yàn)證溢流壩挑流水面線和流速，將實(shí)驗(yàn)得到的水面線和流速進(jìn)行整理，通過CAD點(diǎn)對點(diǎn)繪制在流態(tài)的云圖上。由圖3可知，實(shí)測水面線略高于數(shù)值模擬結(jié)果，原因是數(shù)值模擬概化邊墻沒有考慮摩擦系數(shù)對水面線影響，但模擬結(jié)果基本吻合。由圖4可知，實(shí)測流速與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近。因此，所建幾何模型和選取的數(shù)學(xué)方程準(zhǔn)確可靠，可以模擬加中隔墩對溢流壩挑流水力參數(shù)的影響問題。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 流 態(tài)

由圖5可知，溢流壩挑流水流在尾坎處交匯，整體挑流進(jìn)入下游河道，水流流態(tài)在下游呈紊亂狀態(tài)。

圖5 流 態(tài)

加中隔墩后，水流在閘墩后空化長度減小，兩股水流碰撞程度減小，水流較穩(wěn)定地在尾坎處匯合挑流進(jìn)入下游。因此，加中隔墩有利于減緩溢流面上水流碰撞，提高水流挑流穩(wěn)定性。

3.2 水面線

由圖6可知，水流整體沿著溢流面在尾坎處進(jìn)行上挑，將水流整體挑流到離壩體較遠(yuǎn)處，防止壩址處被沖刷，有利于壩體穩(wěn)定。在溢流壩水平出流段，兩水面線幾乎相同；在溢流面直線段加中墩隔墩后，水面線明顯下降；在溢流壩面反弧段，兩水面線趨于相同。由此可知，加中隔墩后可以降低溢流壩面直線段水面線，對挑流水翅減緩影響不大。

3.3 壩面壓強(qiáng)

由圖7可知，沿X軸方向壩面壓強(qiáng)呈先下降后上升再下降的趨勢，在溢流壩直線中段出現(xiàn)負(fù)壓，這影響壩面的穩(wěn)定性。加中墩后，整體壩面壓強(qiáng)變化不大，但在溢流面直線段負(fù)壓由-0.5 kPa增加到-0.3 kPa，降低了負(fù)壓對壩面空蝕空化的影響。

圖6 水面線

圖7 壩面壓強(qiáng)

4 結(jié) 論

1) 通過模型驗(yàn)證可知，F(xiàn)LOW-3d在模擬溢流壩挑流問題具有較高的準(zhǔn)確性，并且在方案比選上，快速準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)可靠。

2) 加中隔墩后，水流在閘墩后空化長度減小，同時兩股水流碰撞程度減小，水流較穩(wěn)定地在尾坎處匯合挑流進(jìn)入下游，有利于減緩溢流面上水流碰撞，提高水流挑流穩(wěn)定性。

3) 加中隔墩后，可以降低溢流面直線段水面線，對挑流水翅減緩影響不大，但可以有效降低負(fù)壓對壩面空蝕空化的影響。