(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

底流消能[1-3]不但适用于低水头、大单宽流量的平原河道或通航河道，而且适用于高水头、大流量的泄水建筑物。为了充分认识消力池内详细的水流流场及水力学特性，本文利用ATS水利枢纽导流洞出口消力池物理模型和流体力学计算软件FLUENT，对导流洞出口消力池进行物理模型试验和数值模拟研究。

1 工程概况

ATS水利枢纽是以生态、灌溉、防洪、发电为开发目标的控制性水利枢纽工程。水库总库容22.45×108m3，枢纽主要建筑物有混凝土面板砂砾石堆石坝、1#和2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#和2#深孔放空排沙洞、发电引水系统、电站厂房、生态基流发电系统和发电厂房等。设计水位1 821.65 m，校核水位1 823.64 m，正常蓄水位1 820 m，死水位1 770 m，最大坝高164.8 m。

导流洞布置在左岸，由进口明渠段、封堵闸井段、洞身段、扩散段、消力池段、泄槽段组成。进口明渠段长633.553 m，底宽17 m，纵坡0.5%。封堵闸井底板高程1 666.0 m，布置1道封堵平板闸门，孔口尺寸11.0 m×13.5 m，洞身段长805 m，出口底板高程为1 656.36 m，纵坡：0+000.0～0+318.0 m段为0.015，0+318.0～0+805.0 m段为0.01。扩散段长92.586 m，底宽由11 m渐变至30 m，平面扩散角5.29°，其中前段64.283 m长纵坡为1/100，后段28.303 m纵坡为0.167，消力池池长80 m，纵坡为0，底宽30 m，池深6.0 m，边墙高度20 m，边坡1∶0.3，底板高程1 651.0 m。泄槽段长15 m，底宽33.6 m，纵坡为0，底板高程1 657.0 m，边墙高度14 m，边墙坡度1∶0.3。导流洞出口消力池体型布置见图1，导流运行工况见表1。

图1 导流洞出口消力池体型布置

导流标准P/%洪峰流量/m3·s-1挡水建筑物泄水建筑物型式水位/m型式下泄流量/m3·s-15(全年)5 590上游围堰1 702.28导流洞全开2 739.30

2 水工模型试验成果

试验结果表明，导流设计洪水工况P=5%(全年)下，水跃跃首基本发生在消力池进口，即在消力池内发生接近临界水跃，水流旋滚剧烈，但未超过边墙高度。消力池内最大水深发生在桩号导0+967.586 m处，即消力池尾坎附近，最大水深19 m。边墙高度有一定的富裕。消力池内最大流速发生在桩号导0+883.435 m处，即消力池陡坡段处，最大流速20.55 m/s。出池水流呈急流状态，产生冲击波。消力池底板脉动压力均为正值，无负压出现。因消力池内水流旋滚剧烈，水面波动较大，利用流体力学计算软件 FLUENT对消力池内水流进行三维数值模拟，认识消力池内详细的水流流场。见图2。

3 数值模拟过程

3.1 计算方法及原理

在紊流模型中，采用Yakhot和Orszag建立的RNGk～ε紊流数学模型，其考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，可以更好处理高应变率及流线弯曲程度较大流动，使得RNGk～ε模型具有更高的可信度和精度。其连续方程、动量方程和k、ε方程分别表示如下：

连续方程：

∂uj/∂xj=0

(1)

动量方程：

(2)

紊动能方程(k方程)：

(3)

紊动能耗散率方程(ε方程)：

(4)

式中：i=1，2，3，即{xi=x，y，z}，{ui=u，v，w}；j为求和下标；方程中通用模型常数Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

采用VOF数值模拟方法[4-6]对自由液面进行处理。控制方程组离散方法为有限体积法，数值计算算法为PISO算法，采用欠松弛迭代方法对离散方程组进行求解。

3.2 数学模型及边界条件

通过利用前期建模软件建立导流洞出口消力池三维数学模型，模型计算区域范围为桩号导0+805 m～导0+992.586 m。采用六面体结构化网格对模型进行网格划分，共划分30 813个网格单元。导流洞消力池采用流速进口，进口流速19.38 m3/s；消力池出口边界条件采用压力出口，总压强值为大气压强。因消力池顶部与大气连通，其顶部边界采用压力进口边界，其值为大气压强。消力池边墙与底板采用标准壁面函数，壁面采用无滑移条件。导流洞出口消力池数学模型及模拟范围网格划分见图3。

图3 导流洞出口消力池数学模型及 模拟范围网格划分

4 数值模拟成果

4.1 消力池内水面线

通过对计算结果进行后处理，得出消力池内水面线及各典型断面的水深。消力池内典型断面水深计算值与模型实测值对比见表2。

表2 消力池内典型断面水深计算值与模型实测值对比

计算结果表明，消力池内最大水深发生在桩号导0+967.586 m处，即消力池尾坎附近，与模型实测值结果一致，消力池内各典型断面计算值与模型实测值基本吻合，由于池内水面波动的影响，两者最大误差在13%以内。

4.2 消力池内流速

消力池各典型位置的流速矢量和等值线见图4。消力池内典型位置的流速计算值与模型实测值对比见表3。计算结果表明，消力池内最大流速发生在桩号导0+883.435 m处，即消力池陡坡段处。与模型实测值基本一致，吻合较好，误差在17%以内。由于未建立消力池后的明渠段模型和紊流脉动的影响，导致消力池出口计算结果和模型实测值存在一定的偏差。

图4 各典型位置的流速矢量和等值线

桩号/m实测值/m·s-1计算值/m·s-1误差/%桩号/m实测值/m·s-1计算值/m·s-1误差/%0+805 17.2118.78.66 0+907.586 18.8519.533.61 0+815 17.8518.563.98 0+917.586 16.8417.151.84 0+825 18.818.720.43 0+927.586 12.5113.588.55 0+835 19.2419.310.36 0+937.586 8.879.8511.05 0+845 19.2419.642.08 0+947.586 7.67.323.68 0+855 19.8719.890.10 0+957.586 4.985.235.02 0+869.283 19.6921.237.82 0+967.586 2.733.0511.72 0+883.435 20.5519.743.94 0+977.586 3.143.6616.56 0+897.586 18.6119.685.75 0+987.586 4.965.7215.32

4.3 消力池内脉动压力

各典型位置的压强等值线见图5。消力池底板脉动压力均为正值，无负压出现，与模型试验结果一致，且数值模拟结果数据较全面，能够更详细反映流场内的情况，有效避免了物理模型试验测点布置不合理而产生的错误。

图5 各典型位置的压强等值线

5 结 论

通过对ATS水利枢纽导流洞出口消力池进行物理模型试验和数值模拟，得出以下结论：

1) 物理试验结果表明，导流设计洪水工况P=5%(全年)下，水跃跃首基本发生在消力池进口，即在消力池内发生接近临界水跃，水流旋滚剧烈，但未超过边墙高度。消力池内最大水深发生在桩号导0+967.586 m处，即消力池尾坎附近，最大水深19 m。边墙高度有一定的富裕。消力池内最大流速发生在桩号导0+883.435 m处，即消力池陡坡段处，最大流速20.55 m/s。出池水流呈急流状态，产生冲击波。消力池底板脉动压力均为正值，无负压出现。

2) 为充分认识消力池内详细的水流流场，通过流体力学计算软件FLUENT对消力池内水流进行三维数值模拟，得到消力池内详细的水力学特征参数，如池内水面线变化﹑流速分布﹑池内脉动压力等。

3) 数值模拟计算结果表明，消力池内水面线、流速分布、脉动压力等水力学参数的变化规律与物理模型试验基本一致，两者基本吻合。池内水面线两者误差在13%以内，消力池内流速两者误差在17%以内。消力池底板脉动压力均为正值，无负压出现。

4) 数值模拟计算结果弥补试验数据数量不足，有效验证了物理模型试验结果的准确性，能够为工程的设计及计算提供参考。