党　彦，王炳军，李红梅，陈　刚

(1.青岛滨海学院 建筑工程学院， 山东 青岛 266555；

2.山东科技大学 土建学院， 山东 青岛 266590； 3.安康学院， 陕西 安康 725000)



泄洪洞工作闸室及陡坡明渠段体型优化数值模拟

党彦1，王炳军2，李红梅1，陈刚3

(1.青岛滨海学院 建筑工程学院， 山东 青岛 266555；

2.山东科技大学 土建学院， 山东 青岛 266590； 3.安康学院， 陕西 安康 725000)

摘要：对九甸峡水电站右岸泄洪洞工作闸室，包括圆直段、圆变方段、方洞段、弧形闸门段、渐变段和明渠段流场进行了数值模拟。获得了水面线、压力、空化数、流速等水力要素。成功捕捉到了压力洞出口处的水翅、突扩跌坎处侧空腔和底空腔。计算结果与实测数据符合较好，根据计算结果，提出了能解决原方案负压区严重和明渠陡坡空蚀破坏问题的泄洪洞体型修改方案。

关键词：泄洪洞；数值模拟；VOF法；水翅；空腔；体型优化

泄洪洞是水利工程中常见的泄水建筑物，泄洪水流因流速高常伴有脉动、负压、空化空蚀等水力问题，其体型设计尤为重要。泄洪洞体型的设计要同时满足工作要求和枢纽安全[1-3]。随着计算机技术和紊流模型的日趋成熟，数值模拟方法逐渐被工程界所接受[4-8]。采用模型试验和数值模拟相结合的方法，对甘肃省九甸峡水电站右岸泄洪洞工作闸室内流场进行模拟，得到了水面线、压力、沿程空化数等重要水力特性，以期对其体型修改提供参考数据。

1九甸峡水利工程右岸泄洪洞计算模型

甘肃九甸峡水利枢纽工程右岸泄洪洞渐变段及陡坡明渠段体型具体尺寸见图1。模型试验按重力相似准则设计，几何比尺λL=1/50。

1.1计算区域选取及网格划分

右岸泄洪洞渐变段及陡坡明渠段(原方案)体型见图1。右岸泄洪洞(原方案)计算区域见图2。

图1　原方案右岸泄洪洞渐变段及陡坡明渠段体型(单位：m)

图2原方案右岸泄洪洞计算区域

特殊部位网格生成情况见图3～图6。对边壁、近壁、底板、圆直段、圆变方段、弧形闸门段以及水力要素有可能变化段网格均进行加密或特殊处理。计算结果表明：这种网格化分方法不仅提高了收敛速度，而且能较合理的捕捉到相关的水力特性。体现了网格的形式和密度对计算结果的重要影响。

图3　边壁网格划分图

图4　近壁网格划分

图5　圆直段和圆变方段网格划分

图6方洞段和弧形闸门段网格划分

1.2紊流模型

采用k～ε紊流模型，计算方程分别表示如下：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

ρ=Fρw+(1-F)ρa

(5)

μ=Fμw+(1-F)μa

1.3离散方案及边界条件

采用文献[9]和文献[10]推荐的体积控制法和二次迎风格式进行离散，水相速度入口条件，固壁及黏性地层分别做无滑移边界条件处理和壁函数处理。

2计算结果分析

2.1水面线及水流流态

数值模拟成功获得水气界面线，见图7～图10。从水面线看，进口水面平稳，整个泄水明渠内无大的水面波动，但由于体型突变出口处有水翅出现，同时存在侧空腔和底空腔，见图11。

图7　陡坡明渠段水面线比较图

图8　明渠段水气界面(y=0)

图9　沿程各横断面水气界面

图10　侧墙附近剖面水气界面(y=-2.8 m)

图11底部空腔

2.2压力特性

图12显示计算与实测底板中线压力分布值符合较好。

侧墙测压点布置情况见图13。计算结果表明：突扩跌坎侧墙压力虽都为正压分布，但压力值较小。

图12　底板中线压力分布

图13侧墙测压点布置

2.3流速分布

实测与计算流速分布见图14。设计水位下，底部流速范围为25 m/s～30 m/s，表面流速范围为30 m/s～35 m/s。

2.4空化特性

空化特性见表1，结果显示：明渠段易发生空蚀破坏。

表1　沿程水流空化数K计算成果

图14典型断面流速分布

3结论

本文对甘肃省九甸峡水电站右岸泄洪洞闸室及陡坡明渠段流场计算，计算结果与模型试验数据符合良好。原方案在设计工况下存在水翅、侧空腔、底空腔等危及建筑物安全的问题。采用参考文献[11-15]中方法对其体型进行修改，对明渠段陡坡坡度进行了调整，同时，在工作闸室跌坎下游和明渠陡坡处分别加设通气孔输入空气，较好地解决了原方案中负压区严重和明渠陡坡的空蚀破坏现象。调整后的推荐方案体型如图15所示。推荐方案下水流流态明显好于原方案，本例说明了数值模拟方法在同类型建筑物体型优化中可以发挥重要作用。与传统的模型试验方法相比，数值模拟方法速度快，花费少，具有一定的借鉴价值。

图15推荐方案右岸泄洪洞渐变段及陡坡明渠段体型(单位：m)

参考文献：

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Numerical Simulation of Working Chamber of Flood Discharging Tunnel and Open Channel

DANG Yan1， WANG Bingjun2， LI Hongmei1， CHEN Gang3

(1.InstituteofCivilEngineering，QingdaoBinhaiUniversity，Qingdao,Shandong266555,China；2.CollegeofCivilEngineering&Architecture,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao，Shandong266590,China； 3.AnkangUniversity,Ankang,Shaanxi725000,China)

Abstract：The numerical simulation of Jiudianxia hydropower station right bank spillway tunnel working chamber was carried out. The simulated area covers the working chamber of flood discharging tunnel, round-straight region, round changing square region, square hole region, tainter valve region, transition region, and open channel section. The obtained hydrodynamic characters include the depth of flow, pressure distribution, variation of cavitation, velocity distribution and the velocity distribution along the flood discharge tunnel. Water-wing, sudden enlargement drop-sill, side cavity and bottom of the cavity have been successfully obtained. Comparison between the numerical results and model test data shows a satisfactory agreement. Based on these results, some suggestions which can successfully solve the burden problems and the cavitation erosion have been proposed for the modification of the spillway tunnel.

Keywords:spillway tunnel; numerical simulation; VOF method; water-wing; cavities; optimal design

中图分类号：TV135.2

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2016)02—0163—04

作者简介：党彦(1981—)，女，陕西韩城人，讲师，主要从事水力学及河流动力学研究工作。 E-mail: dangyanqd@sohu.com。通信作者：王炳军(1977—)，男，山东潍坊人，讲师，主要从事岩体断裂力学边界元方法研究方面的工作。E-mail: bingjun.wang@sohu.com

收稿日期：2015-12-31修稿日期：2016-02-05

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.02.032