出口挑坎段溢洪道內(nèi)水流流動的數(shù)值模擬

出口挑坎段溢洪道內(nèi)水流流動的數(shù)值模擬

0挑坎體型計算在狹窄的河流中修建水庫，溢流道的出口通常采用扭曲的曲線，水流通常用于下游河流，以防止河流的清理。扭曲型挑坎上的水流是一典型的三維高速射流,常伴隨著摻氣,流動十分復(fù)雜。如何正確模擬扭曲坎上的水流運動是工程設(shè)計中的一個難點,過去主要通過模型試驗,不斷修改挑坎體型,直到水流能落到下游恰當(dāng)?shù)奈恢脼橹?試驗工作量較大。本文結(jié)合瀑布溝水電站溢洪道體型設(shè)計,采用k-ε紊流模型封閉三維時均流動方程,用VOF方法跟蹤自由水面,對溢洪道出口三種扭曲型挑坎水流進行數(shù)值求解,根據(jù)工程地形、地質(zhì)等條件,通過對計算結(jié)果的比較,推薦出滿足工程要求的挑坎體型。瀑布溝水電站位于大渡河中游、四川省漢源縣和甘洛縣境內(nèi),是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、攔沙等綜合效益的大型水利水電工程。大壩建在彎度約90°的河彎段上,兩岸山高坡陡,具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的特點。溢洪道建在大壩左岸,由進口引渠段、溢流堰、泄槽段和出口段組成(見圖1)。出口采用挑流消能,由挑流反弧段和曲面貼角扭曲斜鼻坎組成。為保證溢洪道出口挑射水流能夠比較分散地落入下游河道,有利于水流消能及下游岸坡穩(wěn)定,對出口挑坎體型提出了三種方案。經(jīng)計算推薦的挑坎體型,其水流入射水舌外緣線的計算結(jié)果得到物理模型試驗結(jié)果的良好驗證。1流體控制方程采用k-ε紊流模型封閉雷諾方程組,流體的控制方程在三維直角坐標系下的通用形式為:式中:Φ為通用變量;Γ為廣義擴散系數(shù);ρ為密度;SΦ為源項。2流場空間和流場時空對vof模型表面通量的影響采用VOF模型跟蹤自由表面,其方法是:定義一個流體體積函數(shù)F,一個單元內(nèi)F的平均值表示該單元內(nèi)流體所占體積的百分比,按照流體的物理性質(zhì)定義:當(dāng)流場空間為氣體時,F=0.0,為液體時F=1.0,在氣體與液體的交界面F在0～1之間,F的控制方程為:當(dāng)采用有限體積方法離散控制方程時,需要計算通過控制體表面的對流擴散通量。這里采用幾何重組方法計算VOF模型中的表面通量,采用分段線性的方法表示流體間的分界面。假定在每一控制單元內(nèi)流體間的界面存在一線性坡度,用這一線性坡度來計算流經(jīng)控制體表面的擴散通量。3離散方程和求解方法3.1對流—方程的離散方程的離散采用交錯網(wǎng)格的有限體積法,將變量p,k,ε,F置于控制體中心,u,v,w控制體與壓強控制體交錯布置,對流—擴散項的離散采用冪函數(shù)。在水氣交界面處,由于物理性質(zhì)的不連續(xù),在計算中易產(chǎn)生數(shù)值擴散,因此在離散F控制方程時,采用迎風(fēng)差分格式,計算中有效地控制時間步長。3.2出口壓力u+v+w進口處由流量算出平均速度uin,vin=win=0,并給定水深;紊動量k,ε按下式給出:kin=αin(u+v+w),εin=cμk/lm(αin可取為0.003～0.005,lin常取0.03R,R為水力半徑)。出口處給定出口壓強為一個大氣壓,其余參數(shù)按出口邊界條件獲得。對近壁區(qū)流動,采用壁面函數(shù)來模擬,壁面上采用無滑移條件。采用SIMPLE算法求解離散方程,并詳細驗證了模型的正確性和程序的可靠性,這部分內(nèi)容見文獻。4應(yīng)對自然因素溢洪道出口挑坎體型的設(shè)計主要是考慮到工程地形、地質(zhì)等條件的限制,避免水流流過出口挑坎段發(fā)生空蝕破壞,而且保證出坎水流順利落入下游河道而有針對性地進行的。溢洪道出口挑坎體型設(shè)計方案見圖2。5水舌拋落點在相同的運行方案下(校核工況)數(shù)值計算了三種不同出口挑坎體型的溢洪道內(nèi)的水流流動情況,計算區(qū)域從進口引渠段到出口水舌拋落點。校核工況的控制參數(shù)為:最高庫水位為853.78m,下泄流量為6831m3/s。5.1挑坎出口水體不均勻,邊墻平面偏轉(zhuǎn)圖3為三種體型挑坎出口斷面水深分布。圖3(a)為體型1的挑坎出口水深分布,可以看出摻氣水流平順進入挑坎,在挑坎內(nèi)受到強大的離心力的作用,兩側(cè)壁的水流形成了15～20m的水位差,造成在挑坎的出口斷面水深分布極不均勻。圖3(b)為體型2的挑坎出口水深分布,同樣出口斷面水深分布不均勻,外側(cè)水位線達到810.2m,水深為31.3m,內(nèi)側(cè)水位線達到769.2m,水深為3.87m,在整個出口斷面上,最大水深為31.3m,最小水深為3.87m。圖3(c)為體型3的挑坎出口水深分布。由于受邊墻平面偏轉(zhuǎn)的影響,左邊墻水面線沿程迅速升高,而右邊墻水面線則沿程逐步降低。水流流過挑坎段,流速較大并產(chǎn)生非常大的離心力,造成挑坎左邊墻水深增加,右邊墻水深緩慢減少,左右邊墻的水深相差8～15m。與前兩種體型的挑坎相比,體型3的挑坎出口斷面水深分布趨于平順,水流較穩(wěn)定。5.2之間部位流速分布圖4為三種體型挑坎出口速度分布。圖4(a)為體型1挑坎出口流速分布,從流速矢量的方向可以看出出口斷面水流的出流方向相差較大,出口斷面外側(cè)水流向內(nèi)側(cè)拋出,內(nèi)側(cè)水流向出口斷面的外側(cè)噴射,出口的中間部位水流流速垂直于出口斷面,出坎水流的最大流速約為35.68m/s。圖4(b)為體型2挑坎出口流速分布,流速矢量的方向表明了出口斷面外側(cè)水流向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn),內(nèi)側(cè)水流向出口斷面的外側(cè)噴射,而且從出口斷面水深的分布得知,在出口斷面處外側(cè)水流向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)的水量較大,相應(yīng)地內(nèi)側(cè)水流向外側(cè)噴射的水量相對較少。出坎水流的最大流速約為36.11m/s。圖4(c)為體型3挑坎出口流速分布,挑坎出口斷面上的流速分布的不均勻性得到改善,靠近左邊墻的水流以較大的流速向挑坎轉(zhuǎn)彎的內(nèi)側(cè)上方噴出,而右邊墻的水流則向外側(cè)流出。這樣的出口速度分布有利于控制水舌的落點,同時增強水流的空中擴散。5.3挑坎水流拋射圖5為三種體型的挑坎水流拋射形態(tài)。圖5(a)為體型1的挑坎水流拋射形態(tài),溢洪道下泄水流經(jīng)挑流坎拋射至下游時,出口段水流極不平順和穩(wěn)定,從圖上可以看出,外側(cè)上緣的水流拋射距離較短,且發(fā)生翻轉(zhuǎn),落在了外側(cè)下緣拋出的水體上,從外觀上看,猶如兩股水流交叉拋射。而且出坎挑流水舌比較集中,水流落點靠近河道左岸,對下游河道邊坡的穩(wěn)定不利。圖5(b)為體型2的挑坎水流拋射形態(tài),從圖中可以看出出口斷面外側(cè)拋射水流完全翻轉(zhuǎn),內(nèi)側(cè)水流則向出口外側(cè)噴射,從平面上看內(nèi)外側(cè)拋射水流交錯但沒有產(chǎn)生碰撞,出口斷面中間部位水流拋射最遠,出坎水流完全跌入河床內(nèi),但水舌的擴散有待改善。圖5(c)為體型3的挑坎水流拋射形態(tài),水舌擴散情況較好,一方面,左邊墻水流向右側(cè)的翻卷比較充分,由于水舌翻卷有力,水舌擴散情況良好,入水水股分布均勻。另一方面,右邊墻水流服從一般的挑流水舌分布規(guī)律,挑流水舌與左邊墻水舌基本上互不搭接,挑流水舌的入水位置也比較令人滿意。從水舌入水外緣分布范圍看,計算值與試驗值1相吻合。6挑瞳的入水位置及d(1)通過對三種不同出口挑坎體型的溢洪道內(nèi)水流的數(shù)值模擬分析,得出體型3的挑坎是較為理想的方案,在計算工況下,挑坎段水流流態(tài)穩(wěn)定,流速和水深分布區(qū)域均勻,挑坎左右邊墻水深差距減小,水流拋射后挑流水舌擴散情況良好,入水水股分布均勻,左邊墻水流向右側(cè)翻卷,右邊墻挑流水舌