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（）文章編號(hào)：２２０１０５０７８４２０１５０６２４１０－－－

中國(guó)農(nóng)村水利水電·２１５年第６期０

燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究

夏鵬飛

）（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都６１００６５

采用標(biāo)準(zhǔn)的ｋ～結(jié)合某水利工程實(shí)例，對(duì)其溢洪道整體水力特性進(jìn)行了水氣二相Ｆ方法，　　摘　要：ε紊流模型與ＶＯ流三維模擬研究。計(jì)算得到水深、流速、壓強(qiáng)沿程分布、空腔形態(tài)、空中水舌形態(tài)及水舌挑距等一系列水力要素計(jì)算值，模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，分析了燕尾型挑坎的空中水舌形態(tài)，形成過程。研究結(jié)果表明采用三維數(shù)值模擬的方法研究接燕尾型挑坎的溢洪道水流是可行的，其結(jié)果能為類似工程起到一定的指導(dǎo)作用。溢洪道；挑坎；數(shù)值模擬　　關(guān)鍵詞：

ＴＶ６５１．１　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ　　中圖分類號(hào)：

ｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＳｉｌｌｗａＴｕｎｎｅｌｗｉｔｈＤｏｖｅｔａｉｌｓｈａｅｄＦｌｉＢｕｃｋｅｔ３ＤＮｕ　　　　　　?　?　ｐｙｐｐ　　

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：，ｗｉｔｈｄｏｖｅｔａｉｌＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｔｈｅｈｄｒａｕｌｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｉｌｌｗａ　　　　　　　　�。�ｓｈａｅｄ　ｆｌｉｂｕｃｋｅｔｔｈｅ�。螅簦幔睿洌幔颍洹。簦酰颍猓酰欤澹睿悖澹�ｐｙｙ　�。穑稹。�ｒ�。簦鳎铩。瑁幔螅澹蟆。恚铮洌澹臁。幔颍濉。酰螅澹洹。簦铩。洌澹螅悖颍椋猓濉。鳎幔簦澹颉。妫欤铮鳌。幔睿洹。簦颍幔悖搿。妫颍澹濉。螅酰颍妫幔悖濉。妫欤铮鳌。椋睢。睿酰恚澹颍椋悖幔臁。螅椋恚酰欤幔簦椋铮睿簦瑁酰螅恚铮洌澹臁。幔睿洹。郑希啤。鳎幔簦澹颍�ａｉｐ，，，ｔｈｅ�。鳎幔簦澹颉。洌澹簦�，ｖｅｌｏｃｉｔｈｄｒａｕｌｉｃ�。颍澹螅螅酰颍澹妫颍澹濉。鳎幔簦澹颉。螅酰颍妫幔悖濉。铮妗。簦瑁濉。幔澹颍幔簦椋睿悖幔觯椋簦螅瑁幔濉。铮妗。鳎幔簦澹颉。簦铮睿酰濉。幔睿洹。瑁铮颍椋�ｏｎｔａｌ�。欤澹睿簦瑁穑�ｙｐｇ�。�ｐｇｇ，，ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅ�。颍澹螅酰欤簦蟆。幔颍濉。椋睢。铮铮洹。幔颍澹澹恚澹睿簟。鳎椋簦琛。簦瑁濉。洌幔簦帷。铮猓簦幔椋睿澹洹。椋睢。澹�ｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｗｈａｔ＇ｓ�。恚铮颍澹簦瑁濉。颍铮洌酰悖椋睿幔睿洹。簦瑁濉。螅瑁幔濉。铮妫纾纾穑穑纭。穑鳎幔簦澹颉。簦铮睿酰濉。幔颍濉。幔睿幔欤�ｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ�。螅椋恚酰欤幔簦椋铮睢。螅瑁铮鳎蟆。簦瑁幔簟。簦瑁椋蟆。恚澹簦瑁铮洹。悖幔睢。猓濉。幔欤椋澹洹。簦铩。悖幔欤悖酰欤幔簦椋铮睢。铮妗。簦瑁濉。妫欤铮鳌。椋睢。悖铮恚欤椋悖幔簦澹洌纾�ｐｐｐｓｉｌｌｗａｔｕｎｎｅｌ　ｗｉｔｈ�。洌铮觯澹簦幔椋欤�ｓｈａｅｄ�。妫欤椋猓酰悖耄澹簦�Ａｎｄ�。簦瑁椋蟆。颍澹螅澹幔颍悖琛。螅澹颍觯澹蟆。幔蟆。帷。酰椋洌濉。簦铩。螅椋恚椋欤幔颉。颍铮澹悖簦螅�ｐｙ�。穑稹。纾穑�

；；：Ｋｅｗｏｒｄｓｌｗａｔｕｎｎｅｌｆｌｉｂｕｃｋｅｔｍｅｒｉｃａｌ�。螅椋恚酰欤幔簦椋铮睿螅椋欤睿酰�ｙ　ｐ�。稹∨c其聯(lián)合　　溢洪道是水利水電工程主要的泄水建筑物之一，應(yīng)用的挑流消能工程也多種多樣，如連續(xù)挑坎、斜切挑坎、窄縫挑坎等。窄縫挑坎多用于峽谷高壩泄洪建筑物的末端，由于兩側(cè)邊墻沿程縮窄，促使進(jìn)入窄縫挑坎的水體發(fā)生橫向收縮，水深沿程升高，最終挑出的水流呈窄而高的矩形，從而使得水流進(jìn)入下游河道的單寬流量變小，有效地減弱了水流對(duì)下游河道的沖刷。但是，窄縫挑坎的側(cè)墻受到水流的沖擊，當(dāng)水流速度過高時(shí)，側(cè)墻受力較大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利，燕尾型挑坎是一種結(jié)構(gòu)上異于窄縫挑坎的新型挑坎，它能夠形成類似的窄縫水舌，同時(shí)挑坎側(cè)墻所承受的壓力也大大降低，以錦屏一級(jí)水電站泄洪洞出口為例，采用窄縫挑坎時(shí)，模型試驗(yàn)表明側(cè)墻上的最大，時(shí)均壓力高達(dá)３這給側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了很大難度，４３．３ｋＰａ／采用燕尾挑坎時(shí)側(cè)墻壓力僅為其１４。錢小燕等對(duì)燕尾型挑坎

１］，的水舌特性進(jìn)行了研究［但有關(guān)溢洪道接燕尾型挑坎的整體

水力特性還需進(jìn)一步探究。

本文采用數(shù)值模擬的方法來探索研究燕尾型挑坎的水力特性的可行性，對(duì)某水電工程溢洪道挑流消能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。該溢洪道下游河道段地勢(shì)狹窄，為了避免溢洪道水舌沖刷下游河道右岸，在模型優(yōu)化階段分別采用了斜切挑坎與燕尾型挑坎，由于燕尾型挑坎對(duì)出射水流的拉伸效果較好，最終得以采用。為了進(jìn)一步了解這一新型挑坎的水力學(xué)特性，為具體工程提供有價(jià)值的參考并探索采用數(shù)值模擬方法來研究該體型的可行性，本文以優(yōu)化后的挑坎體型為基礎(chǔ)建立三維模型，選用了標(biāo)準(zhǔn)的ｋ～以流體體積方法（Ｖｏｌｕｍｅε雙方程紊流模型，，跟蹤自由水面，對(duì)該溢洪道泄槽段、摻氣槽及燕ｏｆ�。疲欤酰椋洌郑希疲┪残吞艨驳乃�力學(xué)特性進(jìn)行三維數(shù)值模擬。經(jīng)過實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較得知，數(shù)值模擬方法是可行的，結(jié)果是可靠的。

１　物理模型

原型為Ⅲ等、中型水利工程，最大壩高７總庫(kù)容７．７０ｍ，

３

溢洪道、放空導(dǎo)流２�。保保度f(wàn)ｍ。樞紐建筑物主要由攔河大壩、

收稿日期：１０２０１４２０－－

，作者簡(jiǎn)介：男，碩士研究生，夏鵬飛（研究方向?yàn)樗�工水力８７－）１�?/p>

：學(xué)。Ｅ－ｍｉｌｘｘｉａ１２３＠１６３．ｃｏｍ。ａｐ

隧洞，取水塔，電站壓力引水隧洞及壩后電站等主要建筑物組

燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究　　夏鵬飛

模型比尺采用１∶５成。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，０。模型與原型之間各物理量遵循重力相似準(zhǔn)則如下：時(shí)間比尺λＴ＝

／０．５１６

，糙率比尺λ長(zhǎng)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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格劃分，壩頂和燕尾挑坎處使用四面體網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合。在本文空間網(wǎng)格剖分過程中配合使用了非均勻網(wǎng)格，其中摻氣槽計(jì)算區(qū)域和水舌捕捉箱橫縱中部采用較密的網(wǎng)格劃分，使得網(wǎng)格整體疏密有致即突出關(guān)注區(qū)水流特性還節(jié)省了計(jì)算機(jī)時(shí)。網(wǎng)格單元數(shù)約為４３．３萬(wàn)。進(jìn)口處給定水深和流速，設(shè)置為流速進(jìn)口和壓力進(jìn)口，出口邊界條件采用壓強(qiáng)出口邊界，計(jì)算域中與空氣接觸面指定壓力進(jìn)口邊界，壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

。

有機(jī)玻璃制作，以便觀察水流流態(tài)。

２　數(shù)學(xué)模型

選用ｋ～其連續(xù)ε雙方程紊流模型對(duì)挑射水流進(jìn)行模擬，方程、動(dòng)量方程和ｋ、ε方程可分別表示為：

連續(xù)方程：

ｉ＋＝０ｔｘ�功梗�

　　動(dòng)量方程：

（）１

（ｉｉ）＋＝ｔ�梗��梗�

－

＋�梗��梗�ｉｊ

［

ｉ（＋ｔ）μ＋μ�梗��梗�ｉｊ

）］

（）２

ｋ方程：　　

））（ｉ（＋＝

ｔ�梗��梗��梗椋椤　ˇ欧匠蹋�

［（

ｔ＋Ｇ－ρεμ＋σｋ�梗�ｉ

］

（）３

）ｉ（）（＋＝

ｔ�梗��梗�

�梗�ｉ

［（

２

ｔＣＣＧ＋＋－１２εεμσ�梗�ρｋｋｉε

］

ｔ

（）４

式中：ｔ為時(shí)間；ｐ為修正壓ρ和μ分別為密度和分子黏性系數(shù)；力；它可由紊動(dòng)能ｋ和紊動(dòng)耗散率ε求出。ｔ為紊流黏性系數(shù)，μ

２

Ｃ＝μρμε

圖１　數(shù)學(xué)模型ａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌＦｉ．１Ｍ　�。�

（）５

中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Ｃ５）９；．０　　式（σｋ和σｋ＝ε分別取值為σμ＝０１．０，１．３；ＣＣ１．５Ｃ１．９５，２。Ｇσε方程常數(shù)，１２１２ε＝ε和Ｃε為ε＝ε＝為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，它可由下式定義：

３　結(jié)果與分析

３．１　水面線與壓強(qiáng)對(duì)比

圖２為水面線與壓強(qiáng)模型試驗(yàn)值和模擬計(jì)算值的對(duì)比

。

Ｇ＝μｔ

ｕｉｉ�梗�ｘｘｘ�梗軎梗棣梗�

（）６

它本身與單Ｆ方法，　　對(duì)于水氣交界自由面的處理采用ＶＯ

相流的ｋ～不同之處僅在于μ和ρ的具體表達(dá)ε模型形式相同，式，二者為容積分?jǐn)?shù)的函數(shù)，可由下式表示：

１－ａｗρｗ＋（ｗ）ａρ＝ａρ

１－ａｗμｗ＋（２）ａμ＝ａμ

（）７（）８

　　方程中ρｗ和ρａ分別為水和氣的密度；ｗ和μａ分別是水μ

（和氣的分子黏性系數(shù)；為空氣的ａ１－ａｗ為水的體積分?jǐn)?shù)，ｗ）體積分?jǐn)?shù)，那么在某一計(jì)算單元中如果不存在水，則ａ如０，ｗ＝果充滿水，如果該單元體為水氣交界面，則ａ則０＜ａ１，ｗ＝ｗ＜１。水的體積分?jǐn)?shù)ａｗ的控制微分方程為：

ｗｗ

＋ｕ＝０ｉｔ�功梗�ｉ

（）９

來完成的。計(jì)算模９）　　水氣交界面的跟蹤就是通過求解式（

型模擬計(jì)算范圍如圖１所示。本文所模擬的計(jì)算區(qū)域較大，在遵循水氣交界面和關(guān)鍵部位的網(wǎng)格密的原則下，為了更好地?cái)M合復(fù)雜邊界獲得精確數(shù)據(jù)來觀察流場(chǎng)特性，本文采用了非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，引渠段、泄槽段和水舌捕捉箱采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)

圖２　水面線和壓強(qiáng)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Ｆｉ．２Ｔｈｅｃｏｍｕｔｉｎａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ　　　�。纾穑纾稹�

ｃｏｍａｒｉｓｏｎｏｎｗａｔｅｒｌｉｎｅａｎｄｒｅｓｓｕｒｅ　　　　�。穑�

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邊壁水面線在測(cè)壓孔相０個(gè)，　　模型試驗(yàn)中布置測(cè)壓孔共３

應(yīng)位置測(cè)得。溢洪道水面線和壓強(qiáng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值二者吻合良好，其中水面線最大相對(duì)誤差為２．壓強(qiáng)最大相對(duì)誤差為４％，水流經(jīng)摻氣坎挑起在回落泄槽后的近前段形成一定程２．６％。度的壅水隨后沿程順勢(shì)降低；燕尾挑坎出口段中間是鏤空的，于是傳統(tǒng)平板挑坎因受壁面曲率以及水流重力和離心力的作用而使底板產(chǎn)生較大壓強(qiáng)的不利情況在燕尾挑坎上得到了較好改良，這樣的設(shè)計(jì)使得水舌一部分從中部下泄，帶動(dòng)兩側(cè)部分水流向內(nèi)移動(dòng)從而使水流縱向拉開減輕了兩支燕尾板面上的壓力負(fù)擔(dān)。