宽尾墩联合底流消能三维数值模拟.pdf

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1、第３７卷第４期人民黄河Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．４２０１５年４月ＹＥＬＬＯＷＲＩＶＥＲＡｐｒ．，２０１５【工程勘测设计】宽尾墩联合底流消能三维数值模拟包中进，王月华（浙江省水利河口研究院，浙江杭州３１００２０）摘要：宽尾墩和消力池联合消能在水利枢纽工程中已经得到广泛应用，为了进一步研究其消能方式的水力特性，采用ＲＮＧκ－ε双方程紊流模型和ＶＯＦ方法对某表孔泄洪闸的泄洪水流进行三维数值模拟，对宽尾墩表孔泄流能力、水流流态和流速、闸室内水面线、掺气情况等进行了研究，并结合物理模型试验结果对数值模拟结果进行了

2、验证。结果表明，将宽尾墩应用于溢流坝，形成宽尾墩＋消力池一体化消能设施，兼有宽尾墩和消力池底流消能的优点，联合消能效果良好。关键词：宽尾墩；消力池；底流消能；三维数值模拟＋中图分类号：ＴＶ１３５．２１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１３７９．２０１５．０４．０２５宽尾墩是我国首创的消能工，通过加宽闸墩末端和缩窄过水断面使水流纵向扩散形成窄而高射流，同时促进掺气，使下游射流的入水面积增大，从而改善消能效果［１］，已在许多水利枢纽工程中得到应用。目前对宽尾墩体型设计和优化

3、的方法有模型试验［２－５］和数值模拟［６－１２］两种，物理模型试验是工程研究的主要手段，对模型试验无法解决的问题需要借助数值模拟方法来解决。宽尾墩图２宽尾墩平面布置（单位：ｍ）＋底流消能的边界条件比常规水工建筑物复杂得多，存在很难求解的曲线自由水面，为了２水动力模型进一步研究其消能方式的水力特性，笔者结合物理模型试验对某典型工程泄洪水流进行了三维数值模拟。２．１连续性方程和动量方程Ｆｌｏｗ－３Ｄ软件将连续性方程和不可压缩黏性流１工程概况体运动的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程作为流体运动的控制方程：

4、某水库总库容３３４１３万ｍ，设有５孔表孔泄洪闸，）））（ｕＡｘ（ｖＡｙ（ｗＡｚ每孔净宽为８．０ｍ，堰顶高程为２３３．０ｍ。泄洪闸闸墩＋＋＝０（１）ｘｙｚ为宽尾墩，宽尾墩长６．０ｍ，墩首宽２．５ｍ、墩尾宽７．０ｕ１ｕｕｕ１ｐｍ，闸墩顶高程为２３７．０ｍ。下游采用底流消能，消力＋（ｕＡｘ＋ｖＡｙ＋ｗＡｚ）＝－＋Ｇｘ＋ｆｘｔＶＦｘｙｚρｘ池长４５ｍ、深３．５ｍ，池底高程为２１０．５ｍ。泄洪闸与ｖ１ｖｖｖ１ｐ＋（ｕＡｘ＋ｖＡｙ＋ｗＡｚ）＝－＋Ｇｙ＋ｆｙ消

5、力池剖面见图１，宽尾墩平面布置见图２。设计洪水ｔＶＦｘｙｚρｙ（３Ｐ＝１％）下泄流量为２６２４ｍ／ｓ，设计水位２４６．５０ｗ１（ｗｗｗ１ｐ＋ｕＡｘ＋ｖＡｙ＋ｗＡｚ）＝－＋Ｇｚ＋ｆｚｍ；校核洪水（Ｐ＝０．１％）下泄流量为３８０１ｍ３／ｓ，校核ｔＶＦｘｙｚρｚ水位２４６．７０ｍ。（２）式中：ｕ、ｖ、ｗ为ｘ、ｙ、ｚ三个方向上的流速分量；Ａｘ、Ａｙ、收稿日期：２０１４０６１３基金项目：浙江省科研院所专项（２０１２Ｆ２００３０，２０１２Ｆ２０００５）；浙江省水利科技计划

6、项目（ＲＣ１４０８）。作者简介：包中进（１９６３—），男，浙江东阳人，高级工程师（教授级），研究方向为水工水力学。通信作者：王月华（１９８６—），男，浙江湖州人，工程师，研究方向为水工水力学。图１泄洪闸剖面（单位：ｍ）Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｙｕｅｈｕａｏｋ＠１６３．ｃｏｍ·１０２·人民黄河２０１５年第４期Ａｚ为三个方向可流动流体的面积分数；Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚ为三给定初始水位，压力为静水压。初始时间步长定为个方向的重力加速度；ｆｘ、ｆｙ、ｆｚ为三个方向的黏滞力；ｔ０．００５ｓ，时间步长会自动调整。为时

7、间；ＶＦ为可流动流体的体积分数；ρ为流体密度；ｐ为作用在流体微元上的压力。３结果与分析２．２紊流模型３．１泄流能力ＲＮＧκ－ε模型控制方程中加入了体积分数ＶＦ和自由出流时泄流能力仅与上游水位有关。库水位面积分数Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ，κ方程和ε方程如下：与泄流能力的关系见图３，可以看出，数值模拟计算值κ１κκκ＋（ｕＡｘ＋ｖＡｙ＋ｗＡｚ）＝Ｐ＋Ｇ＋Ｄκ－ε与物理模型试验值吻合良好。拟合得到５孔全开时水ｔＶＦｘｙｚ位—流量关系为（３）Ｑ＝６０．５０２（Ｚ－２３３）１．６４６（６）ε１ε

8、εε＋（ｕＡｘ＋ｖＡｙ＋ｗＡｚ）＝式中：Ｑ为下泄流量，ｍ３／ｓ；Ｚ为库水位，ｍ。ｔＶＦｘｙｚＣ２１ε（εＰ＋Ｃ３Ｇ）＋Ｄε－Ｃ２（４）κκ式中：κ为紊动能；Ｐ为由速度梯度引起的紊动能κ的产生项；Ｇ为由浮力引起的紊动能产生项，对于不可压缩流体取０；Ｄｋ、Ｄε为紊动扩散项；ε为紊动扩散率；Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３为无量纲的经验系数。２．３自由表面的处理图３库水位—泄流量关系曲线采用ＶＯＦ法处理自由表面，该方法是Ｈｉｒｔ和３．２流态及流速Ｎｉｃｈｏｌｓ于１９８１年提出的处理复杂自由表