溢洪道明渠擴散段三角翼優(yōu)化設(shè)計數(shù)值模擬研究

(遼寧西北發(fā)電有限責任公司東源電廠，遼寧 桓仁 117200)

水利水電工程中，擴散過渡段的位置和形態(tài)會直接影響到工程的安全運行，必須認真設(shè)計和施工[1]。當前，在水利水電工程設(shè)計中，為了滿足國家和行業(yè)標準中關(guān)于擴散段擴散角的要求，一般會采取增加過渡段長度的方式。但是，在部分水利水電工程建設(shè)中，受壩址區(qū)地質(zhì)以及空間限制，不得不使用較短的擴散段長度，而選擇大擴散角過渡[2]。但是，相關(guān)學者的理論研究和工程實踐也證明，如果擴散段的擴散角過大，邊界對水流的影響作用就會顯著增強，進而導致水流斷面的能量分布不均，導致顯著的側(cè)壁回流、邊界脫流以及主流偏流等問題，從而影響水工建筑物的正常使用，情況嚴重的還會危及水工建筑物的安全[3]。由此可見，對于沒有足夠空間布置小擴散角過渡段的水利水電工程，如何對大擴散角條件下的水流進行控導和干預是亟待解決的工程問題，而這也正是當前水利工程建設(shè)領(lǐng)域的薄弱之處，該領(lǐng)域的研究成果也必將具有巨大的理論和實踐應(yīng)用價值。相關(guān)工程經(jīng)驗表明，在擴散段設(shè)置潛沒式三角翼能夠?qū)υ摬课坏乃w流動起到有效的控制作用，屬于比較有效的控導手段，但是如果三角翼設(shè)置不合理，仍會產(chǎn)生比較明顯的回流區(qū)[4]。因此，有必要對三角翼對擴散段的水流控導效果進行深入研究。

1 工程概況

猴山水庫位于遼寧省綏中縣范家鄉(xiāng)趙家甸村境內(nèi)的狗河上，下游距離綏中縣城約35km。該水庫的主要任務(wù)是城市供水，同時兼具防洪和下游農(nóng)業(yè)灌溉條件改善功能。猴山水庫的設(shè)計庫容為1.6億m3，工程等別為Ⅱ等。水庫的永久性建筑物主要包括大壩、副壩、溢洪道和輸水設(shè)施。猴山水庫溢洪道位于大壩左岸的臺地上，其軸線基本與大壩軸線垂直，全長372m，自上游至下游分別劃分為導流段、控制段、泄槽段和擴散消能段。

2 計算模型的構(gòu)建

2.1 幾何模型的選擇及構(gòu)建

選擇猴山水庫工程溢洪道明渠擴散段作為研究原型，考慮本文研究的重點與計算的復雜程度，幾何模型選擇的是溢洪道擴散段以及上游的直線窄段50m和下游直線寬段120m。

模型創(chuàng)建是流體數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合本次研究對象的實際特點以及相關(guān)研究經(jīng)驗，采用AutoCAD三維建模軟件進行研究對象的幾何建模，利用FLUENT軟件進行數(shù)值計算模型的構(gòu)建[5]。一般情況下，模型的網(wǎng)格劃分越密集，計算精度越高，但計算量會急劇增大，因此，本文對三角翼部分采用混合網(wǎng)格劃分[6]，最終獲得294110個網(wǎng)格單元，244268個計算節(jié)點。

2.2 邊界條件

結(jié)合本次研究的實際情況以及平面大擴散角銜接過渡段流動數(shù)值模擬研究的相關(guān)成果，設(shè)定如下邊界條件：對于模型的入口選取液相速度入口邊界條件與氣相壓力入口邊界條件[7]。具體而言，根據(jù)模型入口部位的設(shè)計流量，計算入口邊界均勻來流條件。對于模型的出口，設(shè)置壓力出口邊界條件，根據(jù)猴山水庫下游的實測水位設(shè)置水流自由面的高程，本次研究的模擬工況全部為平面大擴散段兩相流問題，模型下游出口處的水流可以自由發(fā)展，沒有回流現(xiàn)象出現(xiàn)；模型設(shè)置為無滑移的固壁邊界條件。

3 三角翼數(shù)值模擬優(yōu)化研究方案

3.1 優(yōu)化研究的關(guān)鍵參數(shù)

擴散段三角翼的幾何體型特征主要受如下參數(shù)控制[8]：?分流度α，一般情況下該角應(yīng)設(shè)定為單側(cè)擴散角的兩倍，同時要保證與來流適應(yīng)；?三角翼的潛沒度h，增大三角翼的高度有利于提高水流控制能力，但同時會增大水力損失，從而在三角翼的后部產(chǎn)生回流區(qū)；?三角翼的長度，也就是控導度η，該參數(shù)主要影響三角翼的控導范圍，可以對擴散段的水流流態(tài)以及水流動量的調(diào)整強度產(chǎn)生顯著影響；?三角翼的攻角，也稱攻流度θ，也就是三角翼的翼弦與擴散段來流之間的夾角，其大小可以對匹流和控導效果產(chǎn)生直接影響。此外，三角翼的豐滿度b、回流度φ以及位置度λ也是影響三角翼幾何體型的重要因素。

3.2 模擬研究方案設(shè)計

目前，水利工程研究中三角翼的體型參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬方案并不明確，因此，本次研究基于所提出的主要控制參數(shù)，探索三角翼體型優(yōu)化設(shè)計的數(shù)值模擬方案，為研究的順利進行打下良好基礎(chǔ)。在工程研究中，控制變量法是針對多因素問題的有效研究方法，理論上，我們可以通過上述方法尋求每個三角翼控制參數(shù)的最優(yōu)值，并最終確定出三角翼體型設(shè)計的最佳方案。在具體的研究方案設(shè)計中，結(jié)合相關(guān)研究成果，從方便后期結(jié)果分析考慮，僅對控導度、攻流度兩個無量綱控制變量進行優(yōu)化研究，研究方案見表1。

表1 計算方案設(shè)計

4 模擬計算結(jié)果分析

4.1 攻流度模擬計算結(jié)果

利用構(gòu)建的模型，對不同攻流度條件下的溢洪道擴散段流場進行模擬計算，結(jié)果顯示：利用a型三角翼體型設(shè)計時，水流的流態(tài)和整體分布比無控導條件下表現(xiàn)更為穩(wěn)定，回流區(qū)長度明顯減小，強度也有所降低。但是在邊壁的部分區(qū)域產(chǎn)生一定的邊界層分離現(xiàn)象，兩側(cè)均出現(xiàn)了范圍較大的不對稱型漩渦，主流位置存在一定程度的偏移，流速的不均勻性仍舊較大。在利用b型三角翼體型設(shè)計時，水流的流態(tài)和整體分布與a型基本相同，但是兩側(cè)漩渦的范圍區(qū)強度有所增加且中心有向下推移的趨勢，下游主流受兩側(cè)剪切擠壓，擺動不穩(wěn)定現(xiàn)象比較明顯；在利用b型三角翼體型設(shè)計時，兩側(cè)邊壁部位的動量明顯增加，邊界層分離不復存在，下游主流偏移現(xiàn)象消失，但在翼后方存在范圍不大的回流區(qū)，使單寬動量不均勻度增大，影響范圍也顯著增加，呈現(xiàn)出矯枉過正的情況。

為了對擴散段三角翼控導效果進行定量分析，根據(jù)模型計算結(jié)果繪制出不同計算工況下的各個計算斷面的水流單寬動量不均勻度變化曲線(見圖1)，由圖1可知，b型三角翼的控導效果最優(yōu)，因此，就本次研究的猴山水庫溢洪道擴散段而言，攻流度的優(yōu)化取值為0.75，也就是取67.5°的攻流角。

圖1 不同攻流度斷面單寬動量不均勻度

4.2 控導度模擬計算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型，對不同控導度條件下的溢洪道擴散段流場進行模擬計算，結(jié)果顯示：利用d型三角翼體型設(shè)計時，擴散段邊壁位置不存在明顯的邊界分離，主流也不存在偏移現(xiàn)象。但是，在三角翼的后方存在一定范圍的匯流區(qū)，水流流速呈現(xiàn)出兩側(cè)大中間小的特征，由于兩側(cè)水流速度較大，造成左右激蕩作用明顯。利用e型三角翼體型設(shè)計時，在溢洪道擴散段的左側(cè)存在呈條帶狀分布的回流區(qū)，并且隨著三角翼長度的增加，在三角翼的后部和右側(cè)出現(xiàn)了一定范圍的弱流區(qū)，在一定程度上降低了擴散段的過流能力。

為了對擴散段三角翼控導效果進行定量分析，根據(jù)模型計算結(jié)果繪制出b、d、e型工況下各個計算斷面的水流單寬動量不均勻度變化曲線(見圖2)，由圖2可知，d型三角翼的控導效果最優(yōu)，因此，就本次研究的猴山水庫溢洪道擴散段而言，攻流度的優(yōu)化取值為0.75，也就是取67.5°，控導度的最優(yōu)取值為0.40，也就是三角翼的長度為4m，可滿足國家和行業(yè)標準中關(guān)于擴散段擴散角的要求。

圖2 不同控導度斷面單寬動量不均勻度

5 結(jié) 論

本次研究以遼寧省猴山水庫溢洪道擴散段為工程背景，利用CFD和FLUENT軟件對大擴散角條件下的三角翼優(yōu)化設(shè)計進行數(shù)值模擬研究。研究中結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實際，提出擴散段三角翼的幾何體型特征的主要控制參數(shù)，對控導度、攻流度兩個無量綱控制變量進行優(yōu)化研究。結(jié)果顯示：針對背景工程，攻流度的優(yōu)化取值為0.75，也就是取67.5°，控導度的最優(yōu)取值為0.4，也就是三角翼的長度為4m。