基于cfd的溢洪道挑流鼻坎挑流三維數(shù)值模擬

基于cfd的溢洪道挑流鼻坎挑流三維數(shù)值模擬

隨著現(xiàn)代節(jié)水的發(fā)展，高流量和高排放的建筑越來(lái)越多。因此，相關(guān)高速節(jié)水工程也越來(lái)越突出，引起了人們的關(guān)注。近20年來(lái)隨著紊流理論及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為研究水工水力學(xué)復(fù)雜問(wèn)題的重要手段,高速水流及消能的紊流數(shù)值模擬技術(shù)得到不斷的發(fā)展和完善,并廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。BruceM.Savage和MichaelC.Johnson在1999年通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Ogee堰水流參數(shù)的研究,分析比較物理模型和數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù),總結(jié)出數(shù)值模型的研究方法,2004年JeanChatila和MazenTabbara使用有限元軟件ADINA,采用k~ε模型對(duì)Ogee堰水力特性進(jìn)行了研究,取得令人滿意的結(jié)果。1993年王奇峰等采用極坐標(biāo)系的水流控制方程和k~ε模型模擬了反弧水流的運(yùn)動(dòng)特性;1994年馬福喜等采用標(biāo)準(zhǔn)k~ε模型,并用VOF(volumeoffluid)法追蹤自由水面,計(jì)算了溢流壩上的整個(gè)流場(chǎng);2006年董延超等采用RNGk~ε紊流模型,利用流體體積分?jǐn)?shù)(VOF)模型求解曲線自由水面和笛卡爾自適應(yīng)網(wǎng)格來(lái)剖分計(jì)算區(qū)域,對(duì)大伙房水庫(kù)陡槽式溢洪道流場(chǎng)進(jìn)行了三維紊流數(shù)值模擬,這些研究成果為對(duì)泄水建筑物復(fù)雜水流的精細(xì)數(shù)值模擬累積了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。本文采用VOF方法、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,結(jié)合RNGk~ε紊流模型模擬了威遠(yuǎn)江水電站岸邊式溢洪道三維復(fù)雜紊流流場(chǎng),對(duì)威遠(yuǎn)江水電站岸邊式溢洪道挑流鼻坎形式及水力特性進(jìn)行研究,為威遠(yuǎn)江水電站岸邊式溢洪道挑流鼻坎的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。1擋水及洪水設(shè)計(jì)威遠(yuǎn)江水電站位于云南省思茅地區(qū)景谷縣境內(nèi)威遠(yuǎn)江下游河段上,是威遠(yuǎn)江干流的唯一骨干電站。威遠(yuǎn)江電站緊接糯扎渡水庫(kù)庫(kù)尾,糯扎渡水庫(kù)建成后,該河段即成為糯扎渡水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)。因此,下游對(duì)威遠(yuǎn)江電站無(wú)防洪、灌溉和供水要求,威遠(yuǎn)江電站開(kāi)發(fā)任務(wù)較為單一,即水力發(fā)電。威遠(yuǎn)江水電站裝機(jī)容量3×24MW,年發(fā)電量2.9632億kW·h。擋水建筑物為粘土心墻堆石壩,壩頂高程910.000m,最大壩高93m,壩頂長(zhǎng)240m。威遠(yuǎn)江電站主要泄水建筑物為右岸溢洪道及泄洪洞。擋水和泄洪建筑物均按100a一遇洪水設(shè)計(jì),相應(yīng)洪峰流量為3320m3/s;按2000a一遇洪水校核,相應(yīng)洪峰流量為5460m3/s。右岸岸邊式溢洪道緊靠右壩肩,軸線方向與壩軸線垂直,為樞紐的主要泄洪建筑物。由引渠、堰體閘室段、泄槽和挑流鼻坎4部分組成。堰體閘室段長(zhǎng)30m,堰型為混凝土重力式WES實(shí)用堰,堰頂高程893.000m,前緣寬度24m,堰上分2孔,中墩厚4m,每孔凈寬10m,各裝設(shè)10m×12m的弧形工作閘門(mén)1扇。溢流堰后接矩形泄水明槽,泄槽設(shè)置中隔墻,泄槽長(zhǎng)269.337m,寬2×9.5m,依據(jù)地形和歸槽情況,設(shè)計(jì)前段為緩底坡i=1%,中后段為陡槽,坡角25°,槽深10.0~9.0m,最大流速36.8m/s。溢洪道出口采用挑流消能,挑流鼻坎頂高程837.500m、反弧半徑30m、挑射角30°(見(jiàn)圖1)。2數(shù)學(xué)模型2.1計(jì)算損傷系數(shù)數(shù)學(xué)模型采用RNGk~ε雙方程湍流模型,他來(lái)源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù),和標(biāo)準(zhǔn)的k~ε模型很相似,但是考慮了湍流漩渦,考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性,使得RNGk~ε模型更廣泛的應(yīng)用于粘性湍流計(jì)算,具有更高的可信度和精度。連續(xù)方程:?ui?xi=0(1)?ui?xi=0(1)動(dòng)量方程:?ui?t+uj?ui?xj=-1ρ?p?xi+Gi+τbiρ-1ρ?τij?xj(2)?ui?t+uj?ui?xj=?1ρ?p?xi+Gi+τbiρ?1ρ?τij?xj(2)K方程:?k?t+uj?k?xi=vt(?ui?xj+?uj?xi)?uj?xi+??xj(αkνeff?k?xj)-ε(3)?k?t+uj?k?xi=vt(?ui?xj+?uj?xi)?uj?xi+??xj(αkνeff?k?xj)?ε(3)ε方程:?ε?t+uj?ε?xi=cε1εkvt(?ui?xj+?uj?xi)?ui?xi+??xj(αενeff?ε?xj)-cε2εk-R(4)?ε?t+uj?ε?xi=cε1εkvt(?ui?xj+?uj?xi)?ui?xi+??xj(αενeff?ε?xj)?cε2εk?R(4)其中:R=cμη3(1-ηη0)ε2(1+cε3η3)ΚR=cμη3(1?ηη0)ε2(1+cε3η3)Kveff=vt(1+√cμkμε)2η=√(?ui?xj+?uj?xi)?ui?xjkε式中,ui為i方向上的速度分量(i=1、2、3);t為時(shí)間;xi為i方向上的坐標(biāo);p為壓強(qiáng);ρ為密度;Gi為i方向的加速度;τij為粘性應(yīng)力;τbi為墻體的剪切應(yīng)力;υt為渦粘性系數(shù);μ為動(dòng)力粘性系數(shù);cε1,cε2,cε3,αk,αε,η0和Cμ均為常數(shù)。RNG理論認(rèn)為:Cε1=1.42,Cε2=1.63,Cε3=0.012,αk=αε=1,η0=4.38,Cμ=0.085。2.2單次運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于自由水面的確定采用高效的VOF法。VOF法是Hirt和Nichols于1975年提出的,1981得到進(jìn)一步完善的一種處理復(fù)雜自由表面的有效方法。該方法基本思想是定義體積分?jǐn)?shù)函數(shù):F=F(x,y,z,t)。在單個(gè)計(jì)算單元中,若F=1,則表示該單元被流體充滿;若F=0,則表示它是一個(gè)空單元;若0<F<1,則表示該單元部分充滿流體。水氣界面的跟蹤則通過(guò)求解連續(xù)方程來(lái)完成:?F?t+ui?F?xi(5)式中,t為時(shí)間;ui和xi分別為速度分量和坐標(biāo)分量。自由水面的具體位置則采用幾何重建格式來(lái)確定,它利用分段近似方法來(lái)表示自由水面線。2.3對(duì)生長(zhǎng)著的下建立加工網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。并在初步計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù),對(duì)關(guān)心的挑流水舌的區(qū)域進(jìn)一步加密網(wǎng)格,以獲得更為精細(xì)的流場(chǎng)結(jié)果。計(jì)算區(qū)域由溢洪道挑坎及下游簡(jiǎn)化水池兩部分組成,其計(jì)算設(shè)計(jì)范圍為:順?biāo)鱴方向總長(zhǎng)度為240m,沿寬度y方向總長(zhǎng)度為220m,沿水深z方向總長(zhǎng)度為90m。2.4初始條件的確定計(jì)算域邊界條件是由流動(dòng)的特性決定的,邊界條件的選取與計(jì)算問(wèn)題的物理邊界直接相關(guān)。入口邊界條件采用壓力入口邊界和速度入口邊界。對(duì)于恒定流量的來(lái)流,采用速度邊界,并近似假定流速均勻分布在速度入口界面上,液體速度入口單寬面積A=107.8m2,入口處水流平均流速u(mài)m=22.3m/s,水力直徑DH=10.38m。因采用VOF方法,空氣壓力入口邊界的流速u(mài)a=0;出口邊界條件采用自由出流邊界,上邊界采用氣體壓力邊界,其總壓力為大氣壓力。整個(gè)溢洪道溢流挑坎、底板和邊墻都按無(wú)滑移壁面邊界條件處理,湍流壁面采用壁函數(shù)來(lái)處理,光滑壁面函數(shù)為:utan=us[1kln(ρusy0μ)+5.0]式中,k為卡門(mén)常數(shù);μ為動(dòng)力粘性系數(shù);y0為到壁面的距離,us為墻體剪切速度;utan為流體距離墻體y0處的流速。初始條件的確定參照物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù),依據(jù)水庫(kù)水位、泄流量來(lái)確定入口流速和水深。將水體區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1,其它非水區(qū)域體積分?jǐn)?shù)為0;紊流參數(shù),如紊動(dòng)動(dòng)能k和紊動(dòng)耗散率ε的初始值由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算給出。2.5壓力耦合處理本文采用有限體積法對(duì)微分方程進(jìn)行離散,求解方法采用simple算法,用PISO算法求解壓力與速度耦合,壓力項(xiàng)的處理采用BodyForceWeighted方法,用一階迎風(fēng)格式求解對(duì)流項(xiàng)。3工程的主要問(wèn)題和修改計(jì)劃3.1m、挑射角溢洪道出口消能采用連續(xù)式挑流鼻坎。原方案溢洪道挑坎設(shè)計(jì)方案為:挑坎頂高程837.5m、反弧半徑30m、挑射角30°(見(jiàn)圖1)。由于溢洪道與下游河床走向交角較大,約為42°,并且威遠(yuǎn)江河谷較窄,在物理模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)出現(xiàn)最大設(shè)計(jì)流量時(shí),水舌的挑距較大,挑出去的水舌直達(dá)河床左岸,造成水花沿坡縱橫飛濺,引起水流對(duì)左岸的沖刷,造成沖坑下游河床的泥沙淤積,不利于水流下泄,同時(shí)也對(duì)大壩和下游岸邊建筑物安全造成威脅。3.2連續(xù)式平尾布置為調(diào)整水舌入水的方向,改善挑流鼻坎水舌沖刷下游左岸,修改方案擬將原連續(xù)式平尾布置方式改為連續(xù)式一刀切斜鼻坎布置方式。為進(jìn)一步研究挑流特征參數(shù)隨斜切角度的變化,找到最佳斜切角度,選擇了斜切角度分別為6°、12°、18°、22°四個(gè)方案,并對(duì)平尾連續(xù)挑坎進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。4計(jì)算結(jié)果和分析4.1連續(xù)挑坎物理模型試驗(yàn)成果和數(shù)值模型成果的比較為了對(duì)數(shù)值模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,將平尾連續(xù)挑坎的物理模型試驗(yàn)成果和數(shù)值模擬計(jì)算成果進(jìn)行了比較,比較結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明,兩者吻合較好,誤差小于3%。4.2中央角度各不同角度斜切挑流鼻坎計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,水舌平面圖見(jiàn)圖2。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明:原方案連續(xù)挑流鼻坎改成右高左低、左短右長(zhǎng)的一刀切斜鼻坎后,不僅可以擴(kuò)展挑流進(jìn)入空中的水舌形狀,增加水流與空氣接觸摩擦,使水流更好的在空中消能從而增加消能率,而且斜切鼻坎明顯調(diào)整了水舌主流位置,即最遠(yuǎn)挑流水流軸線位置,使入射水舌隨斜切角度的增加向鼻坎右側(cè)移動(dòng);同時(shí),隨著斜切角度的增大,可以看到左側(cè)水舌的挑距由83.79m減小到72.85m,因此明顯而有效地減輕了對(duì)右岸山坡的沖刷。計(jì)算結(jié)果表明,較優(yōu)斜切角度為22°,此時(shí),鼻坎左側(cè)切短8m,鼻坎仰角右側(cè)為30°,左側(cè)仰角為12.84°,鼻坎頂高程右側(cè)為837.50m,左側(cè)為834.31m,按此修改設(shè)計(jì)溢洪道挑流鼻坎見(jiàn)圖3。物理模型試驗(yàn)進(jìn)一步研究表明,數(shù)值模擬計(jì)算選定的優(yōu)化方案效果較好,在正常高水位和設(shè)計(jì)水位時(shí)泄洪水流能順利歸槽,校核洪水流量時(shí)也無(wú)直沖對(duì)岸山坡,水勢(shì)流態(tài)較平尾坎大有改善。從溢洪道和泄洪隧洞聯(lián)合泄水的沖刷坑可見(jiàn),在溢洪道和泄洪隧洞下游各形成一個(gè)沖坑,沖刷程度以溢洪道下游較為嚴(yán)重,但其沖坑最深點(diǎn)高程為802m,沖刷深度小于20m,這樣基本滿足將沖刷深度控制在20m以內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。5計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況(1)針對(duì)威遠(yuǎn)江主溢洪道挑流消能工程實(shí)際,采用RNGk~ε紊流模型與流體體積分?jǐn)?shù)(VOF)法相結(jié)合,成功地模擬了威遠(yuǎn)江水電站挑流鼻坎上的三維紊流流場(chǎng),計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差率較小,具