燕尾挑坎溢洪道三维数值模拟研究 夏鹏飞
三孔出流，此时刚过驼峰堰初入收缩段的水流受闸墩（常规半圆形式）和边墩等因素影响，泄流在墩尾斜冲相遇，激浪高致使流态不佳，直观的可看到水相体积分数分布欠均匀，水面凹凸（）为收缩段中部ｘ＝８不够平顺；图３ｂ０ｍ处水相体积分数分布，水面中部有两处突起，由此推断收缩段水体此时已形成以（）为约收缩泄槽中心线为对称轴具有一定扰动的冲击波；图３ｃ段末掺气槽前ｘ＝１水流在收缩段末０３．７４ｍ处水的体积分数，水面壅高、水的体积分数分布略欠均匀，冲击波的影响虽未尽去但是整体已趋于平顺。综合分析可知，三处图形展示的流态特点鲜明，虽然模拟的自由水面与实际水面情况略有差异，但水流运动的总体形态和实际情况是相符的
。
３．２ 收缩段水力特性
（）图３为ｘ＝２因上游为ａ５．３１ｍ处收缩段水的体积分数，
图３ 收缩段面水流形态
Ｆｉ．３Ｗａｔｅｒｆｏｒｍｏｆｔｈｅｎｅｃｋｅｄｄｏｗｎｓｅｃｔｉｏｎ ? ｇ
３．３ 掺气空腔水力特性
（）图４为纵断面Ｙ＝－２即左边壁）处，计算稳定后ａ２．５ｍ（的掺气空腔的流态，图４中，两条实线之间的为水体部分，下实线与溢洪道底之间的部分为掺气空腔，从图４中可看出水流再
次落入泄槽内空腔前端亦无明显回水。上实线与溢洪道之间为空气，从图４中亦可知，空气的流速分布自水面向上方逐渐（）、（）递减。由图４图４对比可见，模型试验与数值模拟的结ａｂ果吻合较好，均形成了空腔并且掺气空腔稳定完整，令人满意
。
图４ 计算值与实验掺气空腔对比
ＦｈｅｃｏｍｕｔｉｎａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｃｏｍａｒｉｓｏｎｏｎＮａｅｒｏｅｒｔｉ．４Ｔ ｐｇｐｐｐｐｐｐｙｇ
燕尾挑坎溢洪道三维数值模拟研究 夏鹏飞
（）模型试验中实测掺模拟掺气空腔处的长度为１９ｍ，ａ 图４
气空腔长度为２二者非常接近，吻合良好。模型试验的实际２ｍ，掺气量比模拟的掺气量大和掺气空腔边缘不容易确定等因素可（）还中展示了在掺气空腔内的能是产生误差的主要原因。图４ａ气流速度矢量。图４中显示的掺气空处的气流漩涡清晰可辨，漩涡的方向均为逆时针方向，随着远离掺气槽位置的主漩涡后伴生的小漩涡有所减小，空气漩涡的形成有助于增加气流速度，这样利于掺气空腔的形成和向水流中混掺更多的空气。
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效果，解决了水舌集中与冲刷右岸的问题。数值模拟结果采用水的体积分数为０．中轴线３确定自由水面。水流流经挑坎时，上的水流最先从挑坎缺口处射出，该股水流在重力作用下作抛体运动，高度逐渐降低，而两侧的水流由于圆弧底板的顶托，其）水面高度渐渐高于中轴线水面，这一点从图５（中可以看出。ｂ当中轴线附近的水流脱离底板，底部压力突然降低为大气压，而在靠近边墙一侧底板上的压力仍保持原来的动水压力，因此在边墙与缺口之间会出现压差，在该因素产生的压差作用下，两侧圆弧底板上的水流会向中轴线运动，形成汇聚趋势。通过观察图５可以看起挑之后呈一系列沿纵向不同程度拉伸的最最终两翼水舌相汇，如图５小正周期为２π的余弦函数图像，
（）所示。数值模拟水舌形态与模型试验水舌形态吻合良好
。ａ
３．４ 燕尾挑坎水舌特性
本工程下游河道较窄，属于狭长形河道，且右岸坡有一凸出平台，因此主要考虑对挑坎进行优化使其形成窄长型水舌。通过模型试验可以看出，燕尾型挑坎满足了使水舌纵向扩散的
图５ 水舌特性ａｅｒｏｅｒｔＦｉ．５Ｎ ｐｐｐｐｙｇ
数值模拟之于模型观察的优势之一便是可以通过截取不同断面提取下泄水流沿程水力特性的分布规律。本文中沿程截取了６个特征水舌断面，对其水体形态进行了分析。由文献［］的研究成果可知水舌沿程变化可分为４个阶段：初始段、过２
（）渡段、分裂段和破碎段。图５中数值提取的水舌形态同样反ｂ（）映了这一现象。初始段为图５中的Ｘ＝１水体初ｂ９５ｍ断面，入挑坎，水舌仅表层受空气扰动；过渡段为Ｘ＝２０５ｍ断面至水舌外观上是连续的紧密的，但表面有水颗粒１９ｍ断面，Ｘ＝２
溢出且可发现空隙；分裂段为Ｘ＝２３４ｍ断面至Ｘ＝２５５ｍ断面，此阶段水舌有明显空隙存在；破碎段为Ｘ＝２水６５ｍ断面，舌破碎成大水片，断面轮廓模糊后续发展则水舌将完全破碎为小水片或水滴。
本文亦对燕尾型挑坎水舌挑距的数值计算和模型试验结果做了对比。采用该工程１∶５０比尺的整体水工模型试验数据作为依据。ＶＯＦ法是在假定水体不破碎和水汽间无混杂的
条件下进行模拟的，因此对于实际情况下水舌表面有水颗粒溢出，空气掺入的模拟有其局限性，图６中水舌表面的模拟结果与实际情况略有偏差但与整体的运动形态和模型试验结果是一致的。联系燕尾水舌的特殊形态，前后拉伸成较薄水帘扑入
图６ 水舌侧视图
ａｔｅｒａｌｖｉｅｗｏｆｔｈｅｎａｅｆｏｒｍＦｉ．６Ｌ ｐｐｇ
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水中，故水舌挑距考虑其最近及最远挑距更为合理。通过图６可得数值模拟水舌挑距。表１比较了水舌挑距，数值计算水舌挑距与模型试验实测挑距基本吻合。近、远距的计算值由于ＶＯＦ法本身的局限性及网格不够密等原因很难精确确定水舌入水点位置，误差不可避免。
表１ 计算值与试验值水舌挑距对比Ｔａｂ．１Ｔｈｅｃｏｍｕｔｉｎａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ ｐｇｐ ｃｏｍａｒｉｓｏｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｅｎｔｈｏｆｗａｔｅｒｔｏｎｕｅ ｐｇｇ位置挑射水舌近距／ｍ 挑射水舌远距／ｍ
数值计算挑距
１９．７ ７７．０
模型实测挑距
１９．０ ７４．０
相对误差／％
３．７４．０
燕尾挑坎溢洪道三维数值模拟研究 夏鹏飞
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４ 结 语
对含有多孔多闸墩、应用标准的ｋ～Ｆ法，ＶＯε紊流模型、收缩段、掺气槽及燕尾型挑坎的复杂陡坡溢洪道的水力特性进行了三维数值模拟研究，数值模拟所得结果得到了物理模型试验的验证，计算值与试验测量值吻合较好。研究表明：Ｆ①ＶＯ模型对复杂体型的溢洪道自由水面能够进行比较理想的追踪，本文中对流速紊动强烈的收缩段水面特性亦能进行定性分析，模拟的掺气空腔内的气流漩涡清晰可辨，故该种方法可有效指导复杂体型溢洪道水面线研究和掺气槽内设置掺气设施。②计算结果表明，本文的数值模拟方法能够较好的模拟泄洪洞出口燕尾型挑坎挑射水舌形状并获得水舌挑距等重要水力参数，可为泄水建筑体型优化设计提供依据，精度亦能满足设计要求。
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