吳 琨

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

頭屯河流域?qū)儆诮Y(jié)構(gòu)性缺水和工程性缺水區(qū)域，水資源供需矛盾突出。在流域規(guī)劃中，對現(xiàn)狀供需水情況進(jìn)行分析，流域存在灌區(qū)缺水，主要是由于上游控制性工程少，調(diào)蓄能力不足所致。由于調(diào)蓄能力不足，造成農(nóng)業(yè)春灌缺水、工業(yè)有效供水量偏低，即供水結(jié)構(gòu)中工業(yè)供水比重始終無法提高；汛期洪水得不到有效控制，不能實(shí)現(xiàn)洪水的資源化利用。樓莊子水庫興建后，與其下游的頭屯河水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)，可全面提高流域灌區(qū)的灌溉保證率；調(diào)節(jié)能力的提高使流域供水結(jié)構(gòu)得到合理調(diào)整。

樓莊子水庫的興建，可全面提高河流下游城市、基礎(chǔ)設(shè)施的防洪標(biāo)準(zhǔn)，使防洪標(biāo)準(zhǔn)由目前的20年一遇標(biāo)準(zhǔn)提高到50年一遇，確保下游人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全；能有效改善下游工農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)，減輕河道泥沙對下游供水設(shè)施及生態(tài)環(huán)境的破壞。

樓莊子水庫總庫容為7 374×104m3，正常蓄水位1 394.50 m，最大壩高82.6 m。樓莊子水庫由黏土心墻壩、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等建筑物組成。主要建筑物按3級建筑物設(shè)計(jì)，大壩按照2級建筑物設(shè)計(jì)，表孔溢洪洞為樞紐的主要泄洪建筑物。本文采用數(shù)值模擬的研究方法，以溢洪洞出口挑流消能方案泄水建筑物初擬尺寸建立模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算內(nèi)部水流，得出模型內(nèi)部水流運(yùn)動狀態(tài)，通過分析水流消能情況及運(yùn)動趨勢，提出泄水建筑物初擬尺寸優(yōu)化方向。

為探究消力池設(shè)計(jì)過程中初擬消力池尺寸的可行性，提出泄水建筑物設(shè)計(jì)優(yōu)化方向，采用數(shù)值模擬的研究方法，以樓莊子水庫為研究對象，模擬消力池內(nèi)部水流運(yùn)動狀態(tài)。溢洪洞由引渠段、控制段、隧洞段、泄槽段、挑流消能段組成。按照水力學(xué)公式對消力池進(jìn)行初步擬定：

引渠段采用梯形斷面，底寬8.0 m，控制段為WES堰，采用弧形閘門控制的溢洪洞；泄槽段總長79.623 m，泄槽寬8.0 m，縱坡0.5，矩形斷面；出口消能段長30.5 m，采用挑流消能，挑坎半徑19.0 m，挑角30°。

1 模型及邊界條件

1.1 模型及工作原理

以泄水建筑物初擬尺寸建立計(jì)算模型，采用數(shù)值模擬的研究方法，對模型內(nèi)部水流進(jìn)行三維水氣兩相流數(shù)值模擬。根據(jù)消力池水氣兩相流數(shù)值模擬發(fā)展，采用現(xiàn)今數(shù)值模擬較為成熟的求解方法[1-4]：模型求解方法采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，用VOF(Volume of Fluid)模型求解消力池自由表面[5-8]，對消力池內(nèi)部三維水氣兩相流模擬計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)有模擬成果，該方法可較為真實(shí)地模擬消力池內(nèi)部水流運(yùn)動。見圖1。

挑流消能依靠水流下泄過程中產(chǎn)生的高速水流，經(jīng)過挑坎投入空中，通過水流與空氣間的摩擦、水流本身互相的摩擦，將部分動能消耗，水流垂直落入河床時，再通過水流與河床的相互作用，消耗其余動能的消能方式。

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

離散方程組通過松馳迭代方法進(jìn)行求解[9-10]，運(yùn)用VOF(Volume of Fluid)模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對計(jì)算模型進(jìn)行求解。

消力池內(nèi)部紊流模型數(shù)值模擬中，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。其動量方程、連續(xù)方程和ε、k方程分別是：

式中：u為流速；模型參數(shù)Cu=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3；μ為體積分?jǐn)?shù)平均的分子黏性系數(shù)；ρ為體積分?jǐn)?shù)平均的密度；引入VOF模型后，ρ和μ是關(guān)于體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)，即：

ρ=αwρw+(1-αw)ρa(bǔ)

(5)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(6)

式中：ρω和ρa(bǔ)分別為水和氣的密度；μw和μa分別為水和氣的分子黏性系數(shù)。

1.3 網(wǎng)格劃分

溢洪洞計(jì)算模型中，泄槽段、消力池段為規(guī)則的矩形截面，此段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；挑流段為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。為提高模型計(jì)算精度，加快運(yùn)算速度，泄槽段、消力池段2/3池深以下部分劃分網(wǎng)格較密，上部較疏。

1.4 邊界條件

模型的計(jì)算區(qū)域包括空氣和水兩種介質(zhì)。模擬過程中水為主相，其密度為1 000 kg/m3；次相為空氣。

1) 空氣進(jìn)口邊界。由于溢洪道水流為自由出流，計(jì)算過程中簡化模型，將溢洪洞頂部與大氣聯(lián)通，即將頂面設(shè)置邊界調(diào)節(jié)為壓力進(jìn)口，壓強(qiáng)設(shè)置為0。

2) 進(jìn)口邊界。進(jìn)口邊界條件為ux=V，uy=0，uz=0；其中ux、uy、uz分別為X、Y和Z方向的分速度，取來流方向?yàn)閄正向，根據(jù)不同工況的設(shè)計(jì)流量，調(diào)整進(jìn)口水深和進(jìn)口流速。

3) 出口邊界。下游河道水流出口與空氣出口作為模型的出口，本次研究不控制下游河道水深，出口設(shè)置為壓力出口邊界。

4) 固壁邊界條件。溢洪洞邊墻和地面為固壁邊界，采用無滑移邊界條件，為確定固壁附近的水流動態(tài)，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法模擬。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

為探究消力池內(nèi)部水流的運(yùn)動狀態(tài)，對初擬消力池進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε計(jì)算模型，模擬計(jì)算設(shè)計(jì)流量工況下溢洪洞下泄流量為289 m3/s，泄槽起點(diǎn)下泄流速6.05 m/s，得到計(jì)算模型內(nèi)部水流運(yùn)動狀態(tài)。

2.1 流速矢量分析

設(shè)計(jì)工況下，溢洪洞的流速矢量云圖見圖2。由圖2可知，模型內(nèi)部水流流至挑坎末端時流速最大，水流出射后挑坎與消力池斜接處易發(fā)生空蝕；水流流經(jīng)挑坎后形成出射水流，水流運(yùn)行至消力池中部時，流速沒有減小。由此說明，水流經(jīng)挑坎產(chǎn)生的動能沒有釋放，沒有達(dá)到預(yù)期的消能效果；觀察可看出，水流挑距較大，水流出射末端超出消力池池長。進(jìn)一步優(yōu)化過程中，需對挑角末端、挑角角度、消力池尺寸適當(dāng)調(diào)整。

圖2 底流消能模型流速矢量云圖

2.2 水氣兩相流分析

經(jīng)計(jì)算分析提取設(shè)計(jì)工況下，溢洪洞模型內(nèi)部水氣兩相流云圖見圖3。經(jīng)觀察可看出，泄槽段水流運(yùn)動均勻，水流經(jīng)泄槽平順流至挑坎末端；模型內(nèi)部水流經(jīng)挑坎，形成出射水流，挑射出的水流較集中，水流挑射后沒有分散，出射水流在空中能量耗散較少；挑距較大下游池長不足。經(jīng)分析可得出結(jié)論，模型初擬尺寸中，挑坎角度偏小，挑射水流較集中，消力池池長偏小。

圖3 模型內(nèi)部水氣兩相流云圖

2.3 壓力場分析

經(jīng)計(jì)算分析提取設(shè)計(jì)工況下，模型內(nèi)部壓力場云圖見圖4。由圖4可看出，泄槽段壓力較均勻，水流流至挑流段壓力逐漸增大，在挑流段中部處壓力達(dá)到峰值；說明挑流段底部受到泄水水流沖擊較大。泄水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需對此段結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中可參照本文計(jì)算成果對此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

圖4 模型內(nèi)部壓力場云圖

通過模型內(nèi)部水流數(shù)值模擬，由設(shè)計(jì)工況下模型計(jì)算所得速度矢量線圖、水氣兩相流云圖、壓力場云圖分析可知，泄水建筑物初擬消力池池長較小，不能滿足消力池消能效果，水流經(jīng)挑坎挑射后，水流超出消力池，需加大池長；消力池內(nèi)部水流經(jīng)挑角出射水流在空中未完全消能，動能未經(jīng)耗散，需對水流出射挑角進(jìn)行優(yōu)化體型，適當(dāng)加大出射角度，以達(dá)到消能效果。

3 結(jié) 語

本文通過數(shù)值模擬的研究方法，對溢洪洞消力池初擬尺寸進(jìn)行了水氣兩相流三維數(shù)值模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算模型，結(jié)合水氣兩相流VOF方法，對消力池內(nèi)部水流進(jìn)行跟蹤模擬。通過計(jì)算分析得出結(jié)論：樓莊子水流泄水建筑物初擬挑流消能模型尺寸未達(dá)到預(yù)期消能效果，能量耗散不充分，需適當(dāng)加大挑角及消力池池長。本文研究成果為樓莊子水庫泄水建筑物消能初選方案對比提供了理論依據(jù)，后期泄水建筑物體型優(yōu)化過程中，可運(yùn)用本文得出結(jié)果進(jìn)行分析。