不同台阶倾角对溢洪道斜陡槽段水流分布特性数值模拟研究

潘 宇，侯绪亚，邵 凯

(1.南京市水利建筑工程检测中心有限公司，南京 210017；2.南京河川建设工程有限公司，南京 210017；3.南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210017)

水库溢洪道下泄流量大、流速急，通常采用台阶式斜陡槽和消力池等形式对水流能量进行耗散，减小水流流速，保证溢洪道构筑物安全[1-4]，同时防止下游河床过度冲刷[5]。在台阶式斜陡槽消能结构应用实践中，采用了多种台阶倾角方案。以笔者统计的64个实例工程为例，最大倾角的为南非西部斯蒂庞克的扎依霍克溢洪道，台阶倾角达到58.2°，最小的为挪威圣维克多郡的斯托约得溢洪道，台阶倾角仅为11.3°，不同的台阶倾角对溢洪道消能效果影响较大[6-12]。为更好的研究台阶倾角对溢洪道陡槽段水流特性以及消能效果的影响，本文选择重庆石梁扣水电站溢洪道为研究对象，通过三维数学模型模拟，分析不同台阶倾角下溢洪道的水流特性分布规律。

1 工程概况

重庆石梁扣水电站位于重庆土溪乡姜家村后溪河，上距七里坝15.2km，下离磨子湾3.3km。设计水位为695.27m，设计流量为215.8m3/s。

2 三维数学模型建立

2.1 计算对比工况设计

设计4组对比工况，即溢洪道倾角为15°，设计流量为215.8m3/s，溢洪道陡槽段台阶倾角分别为0°、5°、15°、20° 4组计算工况。各计算工况的体形尺寸如图1所示。

图1 4组溢洪道陡槽台阶倾角设计方案

2.2 计算软件选择及网格划分

结合计算软件的适用范围、计算精度和适用性，综合选择FLUENT三维有限元软件进行模拟计算[13-14]。实例工程的立面整体网格和局部网格划分如图2所示。其中，方案一共有6285个网格节点和5680个网格。方案二、三、四的网格数量和网格节点数量与方案一大致相同。

图2 实例工程网格划分

3 三维数学模型计算结果分析

3.1 水流流场分布分析结果

4组工况12#台阶的流场分布如图3所示。分析可知：

图3 4组方案在12#台阶处水流流场分布

(1)4组工况在台阶外的流体均沿着陡槽底板中心线呈直线状态下泄。

(2)在台阶凹槽范围内的水体，受台阶边界引导，水体与凹槽相互摩擦、旋滚，形成呈逆时针滚动的漩涡。且经过与台阶边壁、上游来流水体接触摩擦后，漩涡内的水体流速(图3中各网格点流速大小与箭头长短成正比)大幅下降。总体来看，方案三漩涡区流速最小。

3.2 水流流速分布分析结果

以12#台阶为例，4组方案水流流速与测点水深关系如图4所示。分析可知：

(1)随着水深增大，各方案下流速显著增大。4组方案水流流速与测点水深关系曲线差别较小。

(2)整个曲线以水深为判断对象，可分为0～0.2m以及0.2～1.0m 2段。其中，0～0.2m区域为漩涡水体，整体流速较小，因此，水流流速受水深影响相对较小，关系曲线曲率较低；0.2～1.0m段为直线下泄水体，整体流速较大，因此，水流流速受水深影响相对较大。

图4 4组方案在12#台阶处水流流速与测点水深关系

3.3 压力分布

4组工况下，12#台阶的压强分布如图5所示。分析可知：

(1)4组工况下，12#台阶压强分布规律基本相同，即大部分区域为正压区，局部区域有负压区。

(2)4组工况下，最大负压依次为-3252.6、-3176.5、-3028.9、-3378.6Pa。总体来看，方案三的负压分布对溢洪道陡槽段的影响较小。

图5 4组方案在12#台阶压强分布图

3.4 消能效率对比

溢洪道在梯坎段进、出口时水流的能量差与进口时水流能量的比值即为消能效率[10]，可表示为：

(1)

式中，E1—溢洪道进口单位重量水流的重力势能与动力势能之和；E2—溢洪道出口单位重量水流的重力势能与动力势能之和。

实例工程各工况下梯坎段消能效率结果统计见表1。分析可知，总体来看，在方案三工况下，水流在下泄过程中经过了充分的摩擦、旋滚，水流能量被更高效的消耗，能量耗散比例更高。因此，方案三消能效率最高。

表1 方案一与方案二在各工况下消能效率对比

4 结论

本文为更好地研究台阶倾角对溢洪道陡槽段水流特性以及消能效果的影响，选择重庆石梁扣水电站溢洪道为研究对象，通过三维数学模型模拟，总共采用台阶倾角为0°、5°、10°、15°共4组工况，分析不同台阶倾角下溢洪道的水流特性分布规律。经过三维数模分析，综合流场、流速、压力、消能效率对比，在台阶倾角为10°方案下，水流流场分布最优，负压分布对溢洪道底板影响最小，消能效率最高。因此推荐选择方案三，即台阶倾角为10°作为设计方案。本文研究结论可为重庆石梁扣水电站溢洪道设计方案提供参考，同时可为同类工程研究提供借鉴。