闸墩迎水面角度对拱坝挑流影响的数值模拟研究

胡海松，卓 林，王 兵

(1.安徽省建筑工程质量监督检测站，合肥 230000； 2.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景及意义

在水利工程设计和研究领域，闸墩迎水面的形状及角度设计一直是水利专业人员重点关注的问题。目前，大多数的闸墩迎水面都是弧形，因为闸墩引水面弧形在水流冲击下使水流产生不同程度的变化，且对水流的流态及流速影响起着决定性作用。

闸墩的形式多种多样，经闸墩的水流受闸墩引水面的角度影响。如水流流经闸墩时受边墩和中墩的侧向收缩的影响，水流存在流态的扰动及流线的变化，这对能量的损失及水流的流速影响极大，为此需要根据闸室的实际情况，设计合理的闸墩形状及引水面角度[1-3]；在有闸墩的大坝过流研究中，水流受到闸墩的阻碍变得紊动及在闸墩引水面和闸室处产生旋涡，为此有些学者认为造成带闸墩的大坝过流能力降低主要是水流在受闸墩侧面影响发生拐弯，使得水流发生旋流及断面水流分布不均匀[4-5]。针对前人对闸墩影响水流的过流能力影响研究，本文主要通过计算机软件建立数学模型，研究闸墩引水面为40°，50°，60°共3种角度情况下的水力特性的变化情况，通过分析得到较优的闸墩引水面角度，以期为类似工程研究提拱理论参考。

2 模型建立及验证

2.1 模型建立

以某实际拱坝为基础，按照水力相似准则建立三维正态物理模型，物理模型几何比尺为1∶50。为研究闸墩迎水面不同的角度对拱坝挑流的水力特性影响程度，以该拱坝为例，通过CAD建立三维数学模型，将所研究的水力学问题转换为数学计算，三维数学模型见图1。

图1 三维模型

2.2 数学模型选择

对于拱坝挑流的水气二相流的冲刷问题，FLOW-3d的模拟主要优势在于RNGk-ε模型对自由表面上拟合具有较好的连续性[6]，模型的网格划分有结构划和非结构划形式，本文主要选择较稳定的结构划网格划分方法，对于模拟精度较高的闸墩区域采用圈套加密网格，模型单元网格边长为1 m，网格总数约500×104个。

2.3 控制方程

Flow-3d软件主要是通过数学迭代方程式将复杂的水力学问题转化为数学计算，因此对于迭代方程的选择也是很重要的，本文主要的迭代方程式如下：

连续方程：

运量方程：

紊动能k方程：

式中：ui为XYZ3个方向的流速分矢量；Ai和Aj为XYZ3个方向上流体的面积分数；gi为XYZ3个方向上的流体的重力加速度；fi为3个方向上的流体的黏滞力；Vf为流体的体积分数；ρ为该流体密度；p为作用在流体上压力；k为流体紊动能；μ，μt则分别为流体动力黏滞系数和紊动黏滞系数；Cε1，Cε2为经验常数[7]。

2.4 边界及初始条件设置

边界条件：拱坝上游设置流量边界且控制初始水位，拱坝下游河道出口界面为自由出流，整个模型的正上方与大气接触故设置为大气压力边界，模型正底部设置为固体边界。

初始条件：拱坝挑流上游初始水位为80 m，拱坝下游初始水位为30 m；模拟的整个过程给定流量Q=1 200 m3/s，初始步长S=0.01 s。

2.5 模型的验证

为验证所建的数学模型、数学方程选择、初始条件设定的准确性，将数值模拟结果与拱坝正常水位同等流量运行条件下的水力参数进行对比，主要验证闸孔流速与挑流水面线具体结果，见表1、图2。

表1 拱坝闸孔流速

表1是Q=1 200 m3/s时拱坝挑流3个闸孔的平均流速，将数值模拟结果与实验值进行比较分析，误差范围为2.13%～2.70%，误差相对较小；将拱坝挑流水面线的实测数据绘制在流态的云图上，见图2。由图2可知，实测水面线与数值模拟值基本吻合，因此所建数学模型准确可靠，可以研究本文所提出的闸墩引水面角度优化比选。

图2 水面线

3 数值模拟分析

为研究闸墩迎水面的不同角度对拱坝挑流的水力特性影响，本文主要对3种不同角度的闸墩迎水面进行数值模拟分析，通过对闸孔流速、闸孔压强、挑流水面线、下游流速进行重要的水力参数分析。闸墩迎水面角度模型见图3。

图3 3种角度闸墩迎水面模型

3.1 闸孔流速

不同引水面角度的闸墩水流流态和速度在闸孔处将会发生变化，为研究3种不同角度迎水面闸墩闸孔流速的差别，将数值模拟结果进行对比，见表2。

表2 拱坝闸孔流速

由表2可知， 闸墩引水面角度不同3个闸孔的平均流速在2#闸孔处最大，相对50°引水面闸墩的闸孔平均流速较40°和60°小。闸孔平均流速受闸墩前端与水流接触面积及闸墩引水面角度共同影响，一方面在一定角度范围内，闸孔平均流速随着角度的增加而减小；另一方面60°，50°，40°闸墩前端与水流接触面积依次增大，随着接触面积的增加水能与闸墩磨损消耗越大，能量一定消耗越大平均流速越小。在50°相比40°，受到闸墩迎水面角度影响比闸墩前端与水流接触面积影响大，因此水流在50°闸孔处平均流速较小。50°相比 60°，受到闸墩前端与水流接触面积影响比闸墩迎水面角度影响大，因此水流在50°闸孔处平均流速较小。综上所述，50°引水面闸墩对水流阻碍和影响相对较小。

3.2 挑流水面线

拱坝挑流水面线受边墙、流量、水位、闸墩等多种因素的影响，本文在此主要考虑闸墩的迎水面角度变化对其产出的变化。数学模拟3种引水面角度闸墩的拱坝挑流情况，通过后处理软件Tecplot将模拟的云图后处理，具体见图4、表3。

图4 各工况闸孔水面线

表3 特征点水舌厚度

根据数值模拟结果，对图4中的1-1，2-2，3-3三处的挑流水舌进行数据处理。由表3可知，闸墩引水面角度不同3个闸孔的水舌厚度呈先减小后增大趋势，相对50°引水面闸墩的1-1、2-2、3-3三处挑流水舌较40°和60°的薄。由于50°引水面闸墩处水流冲刷较小，在水流流量守恒下，在接近闸墩挑流面中下段部分时由于能量与水流变化，50°闸墩水流水舌扩散程度较40°和60°闸墩水流水舌要大，因此相对挑流面中下段部分50°引水舌厚度薄。

3.3 下游平面流速

对于拱坝水气两相流冲击的水力学问题，下游的流速分布情况是比较重要的参数，这不仅仅影响下游河道消能措施的选择，也影响拱坝及两岸边坡的稳定性。为此本文对3种引水面角度闸墩的拱坝挑流对下游流速的影响进行数值模拟，通过0rigin软件对数值下游水位H=25 m处进行切片处理，具体见图5。

图5 下游平面流速

图5中，各个角度的引水面闸墩下游水面流速最大均为20 m/s。由于引水面闸墩对水流流动和形态有极大的影响，相对50°引水面闸墩对下游河道的冲刷影响比40°和60°的小， 同时50°引水面闸墩的下游河道流速最大值分布区域较小，对下游河道冲刷影响较小。

4 结 论

1) 通过Flow-3d软件建立准确可靠的数学模拟，可以研究复杂的水力学问题，同时对于方案优化及比选准确可靠，经济快速。

2) 通过数学模拟发现，3种不同角度的引水面闸墩主要影响较大的是闸孔流速及下游河道平面流速极大值区域分布情况，对水舌厚度影响较小。

3) 各个角度的引水面闸墩下游水面流速最大均为20 m/s，且50°引水面闸墩的对下游河道的冲刷影响比40°和60°的小， 同时50°引水面闸墩的下游河道流速最大值分布区域较小，对下游河道冲刷影响较小。