燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究　　夏鵬飛

三孔出流，此時剛過駝峰堰初入收縮段的水流受閘墩（常規(guī)半圓形式）和邊墩等因素影響，泄流在墩尾斜沖相遇，激浪高致使流態(tài)不佳，直觀的可看到水相體積分數(shù)分布欠均勻，水面凹凸（）為收縮段中部ｘ＝８不夠平順；圖３ｂ０ｍ處水相體積分數(shù)分布，水面中部有兩處突起，由此推斷收縮段水體此時已形成以（）為約收縮泄槽中心線為對稱軸具有一定擾動的沖擊波；圖３ｃ段末摻氣槽前ｘ＝１水流在收縮段末０３．７４ｍ處水的體積分數(shù)，水面壅高、水的體積分數(shù)分布略欠均勻，沖擊波的影響雖未盡去但是整體已趨于平順。綜合分析可知，三處圖形展示的流態(tài)特點鮮明，雖然模擬的自由水面與實際水面情況略有差異，但水流運動的總體形態(tài)和實際情況是相符的

。

３．２　收縮段水力特性

（）圖３為ｘ＝２因上游為ａ５．３１ｍ處收縮段水的體積分數(shù)，

圖３　收縮段面水流形態(tài)

Ｆｉ．３Ｗａｔｅｒｆｏｒｍｏｆｔｈｅｎｅｃｋｅｄｄｏｗｎｓｅｃｔｉｏｎ　　　　　?�。�

３．３　摻氣空腔水力特性

（）圖４為縱斷面Ｙ＝－２即左邊壁）處，計算穩(wěn)定后ａ２．５ｍ（的摻氣空腔的流態(tài)，圖４中，兩條實線之間的為水體部分，下實線與溢洪道底之間的部分為摻氣空腔，從圖４中可看出水流再

次落入泄槽內(nèi)空腔前端亦無明顯回水。上實線與溢洪道之間為空氣，從圖４中亦可知，空氣的流速分布自水面向上方逐漸（）、（）遞減。由圖４圖４對比可見，模型試驗與數(shù)值模擬的結ａｂ果吻合較好，均形成了空腔并且摻氣空腔穩(wěn)定完整，令人滿意

。

圖４　計算值與實驗摻氣空腔對比

ＦｈｅｃｏｍｕｔｉｎａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｃｏｍａｒｉｓｏｎｏｎＮａｅｒｏｅｒｔｉ．４Ｔ　　　　　　　�。穑纾穑穑穑穑穑穑�ｇ　

燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究　　夏鵬飛

（）模型試驗中實測摻模擬摻氣空腔處的長度為１９ｍ，ａ　　圖４

氣空腔長度為２二者非常接近，吻合良好。模型試驗的實際２ｍ，摻氣量比模擬的摻氣量大和摻氣空腔邊緣不容易確定等因素可（）還中展示了在摻氣空腔內(nèi)的能是產(chǎn)生誤差的主要原因。圖４ａ氣流速度矢量。圖４中顯示的摻氣空處的氣流漩渦清晰可辨，漩渦的方向均為逆時針方向，隨著遠離摻氣槽位置的主漩渦后伴生的小漩渦有所減小，空氣漩渦的形成有助于增加氣流速度，這樣利于摻氣空腔的形成和向水流中混摻更多的空氣。

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效果，解決了水舌集中與沖刷右岸的問題。數(shù)值模擬結果采用水的體積分數(shù)為０．中軸線３確定自由水面。水流流經(jīng)挑坎時，上的水流最先從挑坎缺口處射出，該股水流在重力作用下作拋體運動，高度逐漸降低，而兩側的水流由于圓弧底板的頂托，其）水面高度漸漸高于中軸線水面，這一點從圖５（中可以看出。ｂ當中軸線附近的水流脫離底板，底部壓力突然降低為大氣壓，而在靠近邊墻一側底板上的壓力仍保持原來的動水壓力，因此在邊墻與缺口之間會出現(xiàn)壓差，在該因素產(chǎn)生的壓差作用下，兩側圓弧底板上的水流會向中軸線運動，形成匯聚趨勢。通過觀察圖５可以看起挑之后呈一系列沿縱向不同程度拉伸的最最終兩翼水舌相匯，如圖５小正周期為２π的余弦函數(shù)圖像，

（）所示。數(shù)值模擬水舌形態(tài)與模型試驗水舌形態(tài)吻合良好

。ａ

３．４　燕尾挑坎水舌特性

本工程下游河道較窄，屬于狹長形河道，且右岸坡有一凸出平臺，因此主要考慮對挑坎進行優(yōu)化使其形成窄長型水舌。通過模型試驗可以看出，燕尾型挑坎滿足了使水舌縱向擴散的

圖５　水舌特性ａｅｒｏｅｒｔＦｉ．５Ｎ　�。穑穑穑穑�ｇ

　　數(shù)值模擬之于模型觀察的優(yōu)勢之一便是可以通過截取不同斷面提取下泄水流沿程水力特性的分布規(guī)律。本文中沿程截取了６個特征水舌斷面，對其水體形態(tài)進行了分析。由文獻［］的研究成果可知水舌沿程變化可分為４個階段：初始段、過２

（）渡段、分裂段和破碎段。圖５中數(shù)值提取的水舌形態(tài)同樣反ｂ（）映了這一現(xiàn)象。初始段為圖５中的Ｘ＝１水體初ｂ９５ｍ斷面，入挑坎，水舌僅表層受空氣擾動；過渡段為Ｘ＝２０５ｍ斷面至水舌外觀上是連續(xù)的緊密的，但表面有水顆粒１９ｍ斷面，Ｘ＝２

溢出且可發(fā)現(xiàn)空隙；分裂段為Ｘ＝２３４ｍ斷面至Ｘ＝２５５ｍ斷面，此階段水舌有明顯空隙存在；破碎段為Ｘ＝２水６５ｍ斷面，舌破碎成大水片，斷面輪廓模糊后續(xù)發(fā)展則水舌將完全破碎為小水片或水滴。

本文亦對燕尾型挑坎水舌挑距的數(shù)值計算和模型試驗結果做了對比。采用該工程１∶５０比尺的整體水工模型試驗數(shù)據(jù)作為依據(jù)。ＶＯＦ法是在假定水體不破碎和水汽間無混雜的

條件下進行模擬的，因此對于實際情況下水舌表面有水顆粒溢出，空氣摻入的模擬有其局限性，圖６中水舌表面的模擬結果與實際情況略有偏差但與整體的運動形態(tài)和模型試驗結果是一致的。聯(lián)系燕尾水舌的特殊形態(tài)，前后拉伸成較薄水簾撲入

圖６　水舌側視圖

ａｔｅｒａｌｖｉｅｗｏｆｔｈｅｎａｅｆｏｒｍＦｉ．６Ｌ　　　　　�。穑穑�

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水中，故水舌挑距考慮其最近及最遠挑距更為合理。通過圖６可得數(shù)值模擬水舌挑距。表１比較了水舌挑距，數(shù)值計算水舌挑距與模型試驗實測挑距基本吻合。近、遠距的計算值由于ＶＯＦ法本身的局限性及網(wǎng)格不夠密等原因很難精確確定水舌入水點位置，誤差不可避免。

表１　計算值與試驗值水舌挑距對比Ｔａｂ．１Ｔｈｅｃｏｍｕｔｉｎａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ　　　�。穑纾稹。悖铮恚幔颍椋螅铮睿瑁铮颍椋�ｏｎｔａｌｌｅｎｔｈｏｆｗａｔｅｒｔｏｎｕｅ　　　　�。穑纾缥恢锰羯渌�舌近距／ｍ　挑射水舌遠距／ｍ　

數(shù)值計算挑距

１９．７　７７．０　

模型實測挑距

１９．０�。罚矗�０　

相對誤差／％

３．７４．０

燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究　　夏鵬飛

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４　結　語

對含有多孔多閘墩、應用標準的ｋ～Ｆ法，ＶＯε紊流模型、收縮段、摻氣槽及燕尾型挑坎的復雜陡坡溢洪道的水力特性進行了三維數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬所得結果得到了物理模型試驗的驗證，計算值與試驗測量值吻合較好。研究表明：Ｆ①ＶＯ模型對復雜體型的溢洪道自由水面能夠進行比較理想的追蹤，本文中對流速紊動強烈的收縮段水面特性亦能進行定性分析，模擬的摻氣空腔內(nèi)的氣流漩渦清晰可辨，故該種方法可有效指導復雜體型溢洪道水面線研究和摻氣槽內(nèi)設置摻氣設施。②計算結果表明，本文的數(shù)值模擬方法能夠較好的模擬泄洪洞出口燕尾型挑坎挑射水舌形狀并獲得水舌挑距等重要水力參數(shù)，可為泄水建筑體型優(yōu)化設計提供依據(jù)，精度亦能滿足設計要求。

□

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（上接第１１９頁）

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