夏鵬飛， 韓紅亮， 趙 英， 杜 璇， 杜萬(wàn)軍

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

挑流消能具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、靈活，便于維修，投資省的優(yōu)點(diǎn)，一直是水利水電工程中最常用到的消能方式之一。它是借助泄水道末端設(shè)置的挑坎，使下泄高速水流自由拋射在空氣中擴(kuò)散、摻氣乃至碰撞，同時(shí)利用水舌跌入水墊塘形成淹沒(méi)射流的紊動(dòng)擴(kuò)散，以及水股與四周水體、壁面旋滾的剪切作用，來(lái)消散下泄水流的巨大動(dòng)能[1]。挑流消能工的核心設(shè)計(jì)之一是挑坎體型，隨著壩工技術(shù)的蓬勃發(fā)展，連續(xù)坎、斜切坎、窄縫坎等陸續(xù)都得到了廣泛應(yīng)用，窄縫挑坎多用于峽谷高壩泄洪建筑物的末端，使水流縱向拉伸，保護(hù)峽谷高岸坡穩(wěn)定，但由于邊墻的急劇收縮，水流對(duì)側(cè)墻的沖擊作用非常大，挑坎的懸臂邊墻承受很大的動(dòng)水壓力，側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分困難[2]。而燕尾型挑坎不僅能形成典型的窄縫水舌，挑坎側(cè)墻所承受的壓力也大大降低[3]，這種新型挑坎主要是通過(guò)帶缺口的反弧底板及其上部結(jié)構(gòu)對(duì)水流的作用，使水流出坎后形成了窄而長(zhǎng)的水舌，因此將這種新型挑坎命名為“圓弧底板漏空挑坎”。目前已有科研學(xué)者對(duì)燕尾型挑坎著手研究，鄧永婷[4]利用Fluent軟件，對(duì)挑坎側(cè)墻、底板的壓力分布、對(duì)出挑段水舌的流量分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。夏鵬飛[5]采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε紊流模型，結(jié)果表明采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)燕尾形挑坎進(jìn)行研究是可行的。朱利[6]探索了在高重力壩的溢流壩出口端設(shè)置燕尾形挑坎后，采用內(nèi)緣切口處底板切線方向作為水舌出射挑角，利用拋射體公式計(jì)算挑距存在較大誤差。毛棟平[7]、程文磊[8]在其他工程中，進(jìn)一步驗(yàn)證了此種挑坎對(duì)上游來(lái)流的適應(yīng)性良好。綜上所述，目前學(xué)者們對(duì)燕尾型挑坎的研究取得了豐碩成果，但是對(duì)其的水力特性認(rèn)識(shí)和窄長(zhǎng)水舌形成的機(jī)理研究不足，加之水流紊動(dòng)劇烈，控制的參數(shù)較多，基于以上理由，科研工作者對(duì)燕尾形挑坎還需進(jìn)行深入分析和研究。

本文結(jié)合某狹窄河道水電工程溢洪道挑流消能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，由于下游河道較窄，水舌的擴(kuò)散受到限制，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化采用了燕尾型挑坎。本次計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，以流體體積方法(volume of fluid，VOF)跟蹤自由水面[9]，較為精確地模擬了空中水舌形態(tài)及水舌流速，為試驗(yàn)提供了可靠的依據(jù)。

2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件設(shè)置

控制方程采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程紊流模型,自由水面追蹤采用目前應(yīng)用較成熟的VOF方法。本次計(jì)算模型為了還原工程實(shí)際情況，包含引渠段、溢流堰、收縮段、摻氣槽、泄槽段，整體的網(wǎng)格間距均為2 cm，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格以結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主，挑坎段少量為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)為130萬(wàn)。

采用流速進(jìn)口邊界條件，下游出口邊界設(shè)為均勻流出口邊界，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，模型頂部與空氣接觸的表面設(shè)為壓力進(jìn)口邊界。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 水舌形態(tài)分析

本次數(shù)值模擬水舌挑距與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，模擬水舌結(jié)果三維展示如圖1所示，挑流水舌在豎直平面內(nèi)呈現(xiàn)燕翅狀擴(kuò)散，從燕尾挑坎末端位置挑射出的水流，在燕尾型挑坎的約束條件下，由兩燕尾出射的水舌由于拋射點(diǎn)不等但卻連續(xù)的分布使得水舌在空中相互拉伸形成一層連續(xù)較薄的簾狀水面，擴(kuò)大了入水寬度，入射到下游較遠(yuǎn)的河道時(shí)一定程度降低了對(duì)下游河床的沖擊，落下水舌也順著水流方向，大部分被下放水流帶走，有利于下游流態(tài)的穩(wěn)定。水舌側(cè)視圖如圖2所示，挑流水舌在豎直平面內(nèi)呈掃帚狀擴(kuò)散，水舌上緣與下緣翻卷劇烈，上緣凸起，下緣同向凸起，增大了水舌與空氣的接觸面積，使水舌摻氣更加充分，同時(shí)翻卷水舌適當(dāng)減小了霧化的影響范圍．水舌俯視形態(tài)如圖3所示，水舌自挑坎出射后，寬度沿縱向迅速減小，在縱向呈“一”字，既在縱向拉伸充分，降低了單位面積內(nèi)的入水量，又很好的解決了河道狹窄與水舌寬度之間的矛盾。

圖1 水舌軸視圖 圖2 水舌側(cè)視圖

圖3 水舌俯視圖

3.2 水舌速度特性

為了便于觀察水舌速度的連續(xù)變化特征，故沿程截取了12個(gè)水舌斷面．對(duì)比沿程速度云圖4和矢量圖5，由斷面 1、2 知，水舌流經(jīng)挑坎的過(guò)程中，水流在燕尾形挑坎上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于受到缺口處壓力突然釋放的影響，底板附近靠近缺口處的水流首先在橫向壓力梯度的作用下產(chǎn)生橫向流動(dòng)，然后，挑坎上的水流持續(xù)受到橫向壓力梯度的作用，橫向流速不斷增加，隨著流動(dòng)的繼續(xù)，水面高差也不斷增加，開(kāi)口處中間部分水體下沉，兩側(cè)開(kāi)始上升，越遠(yuǎn)離挑坎，該變化越劇烈，到了3～12斷面，隨著坎上水流不斷從缺口處挑出，坎上的水深在不斷減小，因此坎上靠近邊墻處的水體內(nèi)部壓力在不斷減小，壓差也在不斷減小，最終導(dǎo)致了橫向流速的減小。最大流速均集中在底端，可見(jiàn)水舌出射后，大部分水體集中在底部，“燕翅”部分水體分布較少但摻氣明顯，速度較底部偏低。在斷面7處，水舌位置達(dá)到最高，位能最大，繼續(xù)沿挑距方向運(yùn)動(dòng)則為位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，由速度云圖和矢量圖可見(jiàn)斷面8～12處，水舌流速在底端沿程逐漸增加且較為明顯，在頂部變化并不劇烈，這也是頂部水體較少，摻氣較多所致。

圖4 水舌流速變化云圖 圖5 水舌流速變化矢量圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用Fluent計(jì)算軟件模擬了溢洪道出口燕尾挑坎的水舌射流情況。展示了挑射水舌形態(tài)和水舌沿程流速變化：(1)水流流經(jīng)燕尾形挑坎時(shí)，大部分水體首先由挑坎缺口區(qū)域出射；剩余水體沿缺口兩側(cè)有一定曲率的底板出射，出挑水流整體上形成窄而薄的水流形態(tài)，豎向及縱向擴(kuò)散顯著；(2)水舌自挑坎出射后，既在縱向拉伸充分，降低了單位面積內(nèi)的入水量，又很好的解決了河道狹窄與水舌寬度之間的矛盾；(3)水舌流速在底端沿程逐漸增加且較為明顯。