坡度对台阶式溢洪道压强分布及消能效率的影响分析

向庆银

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 401120)

随着我国对环保要求的大幅提高，同时受煤炭开采量与质量限制，火力发电量逐步受到限制；水利发电由于其清洁且可持续再生产的特点，成为目前国家大力推行的电能获取形式。近年来，大量水电站在我国西南山区兴建。然而，要高效利用水利资源必须增加水头落差，而高水头将导致下泄水流能量巨大，如不合理引导、耗散能量将冲刷下游河床，干扰河演平衡，严重情况下甚至会威胁溢洪道建筑物运行稳定。目前，台阶式溢洪道是常用的溢洪道消能形式之一。

为进一步研究台阶式溢洪道消能规律，本文选择重庆市落中子水电站为研究对象，借助三维数学模型计算方法，分析不同坡率下台阶式溢洪道的水流特性、压强分布以及消能效率对比。

1 实例工程介绍

重庆市落中子水电站位于重庆市酉阳县的小清河，经纬度坐标为东经107°52′，北纬30°27′，距离酉阳县城6.5km，距离重庆市62.3km，设计洪水位678.0m，校核洪水位681.5m，最大水头落差39.2m，共设置有9台发电机组，年设计发电量0.72亿千瓦时。主要向酉阳县城供应电能。

落中子水电站溢洪道全长约660m(设计桩号自溢0+000至溢0+657.6)，其中消能布置采用梯坎段+消力池的组合形式。落中子水电站溢洪道平面设计示意图如图1所示。

2 数学模型建立

2.1 数模计算软件

结合本工程的实际建设情况、各权威软件的适用性，综合选择大型三维计算软件FLUENT，采用CFD模块进行计算，可以精确地模拟复杂几何区域内的流体流动。

2.2 计算模型设置

根据类似工程经验，共设置1∶1.5和1∶1.0两种坡比的计算模型进行对比计算。两类模型的断面设置如图2所示。

2.3 计算网格划分及部分参数设置

为保证计算精度，网格间距设为0.1m，同时，为保证计算效率，对于上游边墩处的网格间距适当增大，设置为0.5m。方案一整个模型共有6258个网格和9630个网格节点。方案二整个模型共有6072个网格和9330个网格节点。方案一的部分网格划分设置如图3所示。

根据实际工程的情况以及部分实验率定，选择设计工况(设计洪水)作为模型计算工况，模型进口单宽流量为30m3/s，同时取单宽流量为20m3/s、10m3/s两组工况作为增加对比工况。溢洪道底板率取0.022，溢洪道两处边壁糙率取0.024，紊动能系数取0.28。为保证计算精度以及模型计算结果收敛性，计算时间步长取0.1s。

图1 落中子水电站溢洪道平面设计示意图

图2 对比计算模型试验设计

图3 方案一的部分网格划分设置

3 数学模型计算结果分析

对上述两种方案进行数学模型计算，并分别从流速、压力、消能率几个方面分别对比两种方案的实际情况。

3.1 流速分布计算结果分析

设计洪水工况(单宽流量为30m3/s)下，方案一与方案二台阶段沿程流速分布如图4所示，同时，在单宽流量分别为30m3/s、20m3/s、10m3/s工况下，22#台阶处方案一与方案二在不同水深处流速统计如图5所示，图5中横坐标为水流流速，纵坐标为统计点处的水深值。分析可知：

图4 设计工况下各方案溢洪道台阶段沿程流速分布

图5 22#台阶处方案一与方案二在不同水深处流速统计

(1)在设计工况下，沿水深方向流速等值线层次变化十分明显。水流在堰顶处流速约为10m/s，随着水流逐渐下泄，重力势能转换为动能，流速迅速增大，同时，台阶对水流能量的耗散不能完全抵消重力势能的转换。

(2)在设计工况下，在进入消力池时，方案一的主流流速增加到15.2～19.2m/s；方案二的主流流速增加到16.3～19.8m/s，方案二的主流流速要略大于方案一。

(3)在各工况下，下泄水流表面流速要远低于底部流速。

3.2 压力值分布计算结果分析

设计洪水工况(单宽流量为30m3/s)下，方案一与方案二在22#台阶段沿程压强等值线分布如图6所示。同时，在单宽流量分别为30m3/s、20m3/s、10m3/s工况下，22#台阶处方案一与方案二在不同水深处压强统计见图7(图7中横坐标为压强值，纵坐标为统计点处水深与台阶高度h的比值)。分析可知：

图6 设计工况下各方案在22#台阶处压强等值线

图7 22#台阶处方案一与方案二在不同水深处压强统计

(1)在设计工况下，三个流量的压强随着台阶高度的增加逐渐减小，在0.6h处压强为零，之后随高度增加压强逐渐减小至负压，当到0.75h时，压强降到最小，之后又开始增加。

(2)分析图7可知，约在0.75h处，压强的最小值(此时负压绝对值最大)由大到小所对应的流量依次为单宽流量30m3/s、20m3/s、10m3/s工况。由此可见，流量最大，负压绝对值最大；流量最小，负压绝对值最小。各体形时的压强曲线为一“S＂状。究其原因，推测为随着单宽流量的增加，水流流速增加，滑行水流的拽动作用即卷走台阶内空气的能力亦增加，负压绝对值亦增加。这与水流流速过大容易产生空蚀现象吻合。

(3)从图7中可分析出，方案一在0.88h处时，压强从负压上升为零压，而方案二对应的位置约为0.93h，可见台阶段形态不同对压强分布有一定影响。

(4)总体来看，在相同位置，其他条件一致的情况下，方案二的压强要略大于方案一。

3.3 消能效率对比

溢洪道在梯坎段进、出口时水流的能量差与进口时水流能量的比值即为消能效率，如下式：

(1)

式中，E1—溢洪道进口单位重量水流的重力势能与动力势能之和；E2—溢洪道出口单位重量水流的重力势能与动力势能之和。

实例工程各工况下梯坎段消能效率结果统计见表1。分析可知，方案一的坡度小于方案二，水流在下泄过程中经过了充分摩擦、旋滚，水流能量被更高效消耗，能量耗散比例更高。因此，在相同工况下，方案一的消能效率要高于方案二。

表1 方案一与方案二在各工况下消能效率对比

4 结论

本文以重庆市落中子水电站溢洪道台阶段为研究对象，借助FLUENT CFD模块进行计算，对比了1∶1.0和1∶1.5两种坡度下溢洪道台阶段的水流流态、压强分布和消能效率，研究结果显示：

(1)在设计工况下，方案一、方案二在台阶段出口处的流速分别为15.2～19.2m/s和16.3～19.8m/s，在其他流量工况下，方案一的出口流速也同样要小于方案二。

(2)在设计工况下，方案一、方案二分别在0.88h/0.93h处开始，压强从负压上升为零压，总体来看方案二的压强要略大于方案一。

(3)方案一的坡度小于方案二，水流在下泄过程中经过了充分摩擦、旋滚，水流能量被更高效消耗，在相同工况下，方案一的消能效率要高于方案二。

(4)综合对比可知，在各流量工况下，方案一的出口流速、压强值更小，消能效率更高。因此，综合确定方案一为推荐方案。