燕尾挑坎溢洪道三维数值模拟研究
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（）文章编号：２２０１０５０７８４２０１５０６２４１０－－－
中国农村水利水电·２１５年第６期０
燕尾挑坎溢洪道三维数值模拟研究
夏鹏飞
）（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都６１００６５
采用标准的ｋ～结合某水利工程实例，对其溢洪道整体水力特性进行了水气二相Ｆ方法， 摘 要：ε紊流模型与ＶＯ流三维模拟研究。计算得到水深、流速、压强沿程分布、空腔形态、空中水舌形态及水舌挑距等一系列水力要素计算值，模拟结果与模型试验结果吻合良好，分析了燕尾型挑坎的空中水舌形态，形成过程。研究结果表明采用三维数值模拟的方法研究接燕尾型挑坎的溢洪道水流是可行的，其结果能为类似工程起到一定的指导作用。溢洪道；挑坎；数值模拟 关键词：
ＴＶ６５１．１ 文献标识码：Ａ 中图分类号：
ｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＳｉｌｌｗａＴｕｎｎｅｌｗｉｔｈＤｏｖｅｔａｉｌｓｈａｅｄＦｌｉＢｕｃｋｅｔ３ＤＮｕ ? ? ｐｙｐｐ
ＸＩｆｅＡＰｅｎｉ－ ｇ
，），（Ｃｈｅｎｄｕ６１００６５，ＣｈｉｎａｏｆＨｄｒａｕｌｉｃｓａｎｄＭｏｕｎｔａｉｎＲｉｖｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＬａｂｏｒａｔｏｒａｔｅＫｅＳｔ ｙｇｙｇｇｙｙ
：，ｗｉｔｈｄｏｖｅｔａｉｌＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｔｈｅｈｄｒａｕｌｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｉｌｌｗａ －ｓｈａｅｄ ｆｌｉｂｕｃｋｅｔｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｙｐｙｙ ｐｐ ，ｒ ｔｗｏ ｈａｓｅｓ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｒａｃｋ ｆｒｅｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈｕｓｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＶＯＦ ｗａｔｅｒ－ａｉｐ，，，ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｄｅｔｈ，ｖｅｌｏｃｉｔｈｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｓｓｕｒｅｆｒｅｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｅｒａｔｉｎｃａｖｉｔｓｈａｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｏｎｕｅ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｌｅｎｔｈｐｙｙｐｇ ｙｐｇｇ，，ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｉｎ ｏｏｄ ａｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｗｈａｔ＇ｓ ｍｏｒｅｔｈｅ ｒｏｄｕｃｉｎａｎｄ ｔｈｅ ｓｈａｅ ｏｆｇｇｐｐｇ ｐｗａｔｅｒ ｔｏｎｕｅ ａｒｅ ａｎａｌｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｅ ａｌｉｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ｃｏｍｌｉｃａｔｅｄｇｙｐｐｐｓｉｌｌｗａｔｕｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｄｏｖｅｔａｉｌ－ｓｈａｅｄ ｆｌｉｂｕｃｋｅｔ．Ａｎｄ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｅｒｖｅｓ ａｓ ａ ｕｉｄｅ ｔｏ ｓｉｍｉｌａｒ ｒｏｅｃｔｓ．ｐｙ ｐｐ ｇｐｊ
；；：Ｋｅｗｏｒｄｓｌｗａｔｕｎｎｅｌｆｌｉｂｕｃｋｅｔｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｉｌｎｕｙｙ ｐ ｐ 与其联合 溢洪道是水利水电工程主要的泄水建筑物之一，应用的挑流消能工程也多种多样，如连续挑坎、斜切挑坎、窄缝挑坎等。窄缝挑坎多用于峡谷高坝泄洪建筑物的末端，由于两侧边墙沿程缩窄，促使进入窄缝挑坎的水体发生横向收缩，水深沿程升高，最终挑出的水流呈窄而高的矩形，从而使得水流进入下游河道的单宽流量变小，有效地减弱了水流对下游河道的冲刷。但是，窄缝挑坎的侧墙受到水流的冲击，当水流速度过高时，侧墙受力较大，对结构安全不利，燕尾型挑坎是一种结构上异于窄缝挑坎的新型挑坎，它能够形成类似的窄缝水舌，同时挑坎侧墙所承受的压力也大大降低，以锦屏一级水电站泄洪洞出口为例，采用窄缝挑坎时，模型试验表明侧墙上的最大，时均压力高达３这给侧墙结构设计带来了很大难度，４３．３ｋＰａ／采用燕尾挑坎时侧墙压力仅为其１４。钱小燕等对燕尾型挑坎
１］，的水舌特性进行了研究［但有关溢洪道接燕尾型挑坎的整体
水力特性还需进一步探究。
本文采用数值模拟的方法来探索研究燕尾型挑坎的水力特性的可行性，对某水电工程溢洪道挑流消能进行了数值模拟研究。该溢洪道下游河道段地势狭窄，为了避免溢洪道水舌冲刷下游河道右岸，在模型优化阶段分别采用了斜切挑坎与燕尾型挑坎，由于燕尾型挑坎对出射水流的拉伸效果较好，最终得以采用。为了进一步了解这一新型挑坎的水力学特性，为具体工程提供有价值的参考并探索采用数值模拟方法来研究该体型的可行性，本文以优化后的挑坎体型为基础建立三维模型，选用了标准的ｋ～以流体体积方法（Ｖｏｌｕｍｅε双方程紊流模型，，跟踪自由水面，对该溢洪道泄槽段、掺气槽及燕ｏｆ ＦｌｕｉｄＶＯＦ）尾型挑坎的水力学特性进行三维数值模拟。经过实测值和计算值的比较得知，数值模拟方法是可行的，结果是可靠的。
１ 物理模型
原型为Ⅲ等、中型水利工程，最大坝高７总库容７．７０ｍ，
３
溢洪道、放空导流２ １１６万ｍ。枢纽建筑物主要由拦河大坝、
收稿日期：１０２０１４２０－－
，作者简介：男，硕士研究生，夏鹏飞（研究方向为水工水力８７－）１９
：学。Ｅ－ｍｉｌｘｘｉａ１２３＠１６３．ｃｏｍ。ａｐ
隧洞，取水塔，电站压力引水隧洞及坝后电站等主要建筑物组
燕尾挑坎溢洪道三维数值模拟研究 夏鹏飞
模型比尺采用１∶５成。模型按重力相似准则设计，０。模型与原型之间各物理量遵循重力相似准则如下：时间比尺λＴ＝
／０．５１６
，糙率比尺λ长度比尺λ＝５流速比７．０１．９７；２；０；λλＬ＝Ｈ＝Ｌ＝０．５２．５
流量比尺λ尺λ７；７６７７．６７。模型采用７．０ λλＶ＝Ｌ＝Ｑ＝Ｌ＝１
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格划分，坝顶和燕尾挑坎处使用四面体网格，结构化网格和非结构化网格相结合。在本文空间网格剖分过程中配合使用了非均匀网格，其中掺气槽计算区域和水舌捕捉箱横纵中部采用较密的网格划分，使得网格整体疏密有致即突出关注区水流特性还节省了计算机时。网格单元数约为４３．３万。进口处给定水深和流速，设置为流速进口和压力进口，出口边界条件采用压强出口边界，计算域中与空气接触面指定压力进口边界，压力设置为标准大气压
。
有机玻璃制作，以便观察水流流态。
２ 数学模型
选用ｋ～其连续ε双方程紊流模型对挑射水流进行模拟，方程、动量方程和ｋ、ε方程可分别表示为：
连续方程：
ｉ＋＝０ｔｘｉ
动量方程：
（）１
（ｉｉ）＋＝ｔｘｊ
－
＋ｘｘｉｊ
［
ｉ（＋ｔ）μ＋μｘｘｉｊ
）］
（）２
ｋ方程：
））（ｉ（＋＝
ｔｘｘｉｉ ε方程：
［（
ｔ＋Ｇ－ρεμ＋σｋｘｉ
］
（）３
）ｉ（）（＋＝
ｔｘｉ
ｘｉ
［（
２
ｔＣＣＧ＋＋－１２εεμσｘρｋｋｉε
］
ｔ
（）４
式中：ｔ为时间；ｐ为修正压ρ和μ分别为密度和分子黏性系数；力；它可由紊动能ｋ和紊动耗散率ε求出。ｔ为紊流黏性系数，μ
２
Ｃ＝μρμε
图１ 数学模型ａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌＦｉ．１Ｍ ｇ
（）５
中的经验常数Ｃ５）９；．０ 式（σｋ和σｋ＝ε分别取值为σμ＝０１．０，１．３；ＣＣ１．５Ｃ１．９５，２。Ｇσε方程常数，１２１２ε＝ε和Ｃε为ε＝ε＝为由平均速度梯度引起的紊动能产生项，它可由下式定义：
３ 结果与分析
３．１ 水面线与压强对比
图２为水面线与压强模型试验值和模拟计算值的对比
。
Ｇ＝μｔ
ｕｉｉ＋ｘｘｘｊｉｊ
（）６
它本身与单Ｆ方法， 对于水气交界自由面的处理采用ＶＯ
相流的ｋ～不同之处仅在于μ和ρ的具体表达ε模型形式相同，式，二者为容积分数的函数，可由下式表示：
１－ａｗρｗ＋（ｗ）ａρ＝ａρ
１－ａｗμｗ＋（２）ａμ＝ａμ
（）７（）８
方程中ρｗ和ρａ分别为水和气的密度；ｗ和μａ分别是水μ
（和气的分子黏性系数；为空气的ａ１－ａｗ为水的体积分数，ｗ）体积分数，那么在某一计算单元中如果不存在水，则ａ如０，ｗ＝果充满水，如果该单元体为水气交界面，则ａ则０＜ａ１，ｗ＝ｗ＜１。水的体积分数ａｗ的控制微分方程为：
ｗｗ
＋ｕ＝０ｉｔｘｉ
（）９
来完成的。计算模９） 水气交界面的跟踪就是通过求解式（
型模拟计算范围如图１所示。本文所模拟的计算区域较大，在遵循水气交界面和关键部位的网格密的原则下，为了更好地拟合复杂边界获得精确数据来观察流场特性，本文采用了非结构化混合网格，引渠段、泄槽段和水舌捕捉箱采用六面体结构网
图２ 水面线和压强计算值与实验值对比Ｆｉ．２Ｔｈｅｃｏｍｕｔｉｎａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ ｇｐｇｐ
ｃｏｍａｒｉｓｏｎｏｎｗａｔｅｒｌｉｎｅａｎｄｒｅｓｓｕｒｅ ｐｐ
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边壁水面线在测压孔相０个， 模型试验中布置测压孔共３
应位置测得。溢洪道水面线和压强计算值与实测值二者吻合良好，其中水面线最大相对误差为２．压强最大相对误差为４％，水流经掺气坎挑起在回落泄槽后的近前段形成一定程２．６％。度的壅水随后沿程顺势降低；燕尾挑坎出口段中间是镂空的，于是传统平板挑坎因受壁面曲率以及水流重力和离心力的作用而使底板产生较大压强的不利情况在燕尾挑坎上得到了较好改良，这样的设计使得水舌一部分从中部下泄，带动两侧部分水流向内移动从而使水流纵向拉开减轻了两支燕尾板面上的压力负担。
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