泄洪洞摻氣坎水力特性數(shù)值模擬研究

泄洪洞摻氣坎水力特性數(shù)值模擬研究

在大型節(jié)水工程中，由于高流量大，排水建筑物的漏洞經(jīng)常受到破壞。例如，混氣減震是一種重要的防洪洪洞防空工程方法，在工程實踐中得到了廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法被廣泛應(yīng)用。張曉東基于k-iii的雙方程模擬和基于氣、水兩相流的vof方法，模擬了垂直井的洪水變化復(fù)雜的水流運動。沙海飛采用了一種改進的網(wǎng)格模型，采用了多孔三維排水界面的模型，采用了多孔三維排水界面的模型。戴輝超采用了優(yōu)化的網(wǎng)格模型和有限體積法，通過數(shù)值模擬解決了幾種典型的高水位洪水流量模型，并對整體三維排水界面的數(shù)值模擬進行了改進。丁道陽在龍頭排水洞中建立了新的輔助模型，這對提高排水洞的數(shù)值模擬有很大的意義。本文將k-ε紊流模型和VOF方法相結(jié)合,通過數(shù)值模擬研究長河壩1號泄洪洞摻氣坎的水力特性.結(jié)合水工模型試驗成果,對模擬結(jié)果進行驗證,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬成果與模型試驗結(jié)果吻合良好.在此基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬分析提出了1號摻氣坎的優(yōu)化方案.1洞身高度、范圍和設(shè)計方案長河壩1號泄洪洞由岸塔式短有壓進口段、無壓隧洞段和出口挑流鼻坎段組成.進口塔體尺寸49.0m×27.0m×52.0m(長×寬×高),工作閘門孔口尺寸14.0m×11.5m(寬×高),無壓城門洞斷面尺寸為14.0m×19m、14.0m×17.5m、14.0m×16m(寬×高)三種,洞身總長度1362.00m,出口20m長為明渠段,挑坎從“1泄1+382.00m”位置起挑,起挑點高程為1507.94m,隧洞縱坡為i=0.10279,最大泄量3692m3/s.泄洪洞洞身段設(shè)置6道摻氣坎,摻氣坎間距為150m,將1號坎設(shè)在樁號0+450m,其余5道坎分別位于0+600、0+750、0+900、0+1050、0+1200m,泄洪洞布置示意圖如圖1所示.原工程設(shè)計方案中1號摻氣坎高度為0.8m,2~6號摻氣坎高度為0.5m,挑坎下游平坡接陡坡,在摻氣坎兩側(cè)布置通氣孔,面積為1m×1.5m(高×寬),具體尺寸如圖2所示.2數(shù)學(xué)模型2.1密度函數(shù)及紊流黏度系數(shù)本文采用k-ε模型對其進行模擬,控制方程如下:連續(xù)方程:動量方程:k方程:ε方程:式中:t為時間變量;ui為速度分量;xi為空間變量;ρ為體積分數(shù)平均密度;μ為分子黏性系數(shù),μ=ρCμk2/ε;p為修正壓力;μt為紊流黏性系數(shù);G為紊動能產(chǎn)生項;紊流常數(shù)Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3,C1=1.44,C2=1.92.2.2設(shè)計組合控制方程VOF方法的原理是:定義函數(shù)αw(x,y,z,t)和αa(x,y,z,t)分別代表計算區(qū)域內(nèi)水和氣占計算單元體積分數(shù).在每個單元中,水和氣的體積分數(shù)和為1,即:αw+αa=1.αw的空間梯度表示自由水體表面外法線方向,αw的控制方程為式中:t為時間;ui為速度分量;xi為坐標(biāo)分量.求解該連續(xù)方程即可跟蹤水氣分界面位置.2.3數(shù)值模型求解在模擬水利工程中的水流流場時,多采用速度進口邊界條件和壓力進口邊界條件,進口處由流量算出斷面平均流速u=22.73m/s.在k-ε紊流模型中,進口的紊動特征量k和ε的計算式為:k=0.0037u2,ε=k3/2/0.4L,其中L為紊流的特征長度,計算時用水力半徑R來代替.本模型將洞身末端作為出口邊界,采用自由出流(outflow)邊界條件,出口壓力值為一個大氣壓值.對近壁流,采用壁面函數(shù)模擬,壁面采用無滑移條件.本文采用點隱式高斯—塞德爾迭代方法對線性化的方程組進行求解.求解過程是先對一個變量在計算域中的每個控制體的離散方程求解,得出此變量在整個計算區(qū)域的值,然后再求解另一個變量,各個控制方程依次進行求解,即可得到壓力、速度、水深等.3數(shù)值模擬結(jié)果的分析3.1計算結(jié)果與分析對象本文主要對設(shè)計水位(1690.00m)工況進行介紹.數(shù)值模型從樁號0+200m開始,下游挑坎起挑位置結(jié)束.1號泄洪洞計算區(qū)域總長度為1162m,高度為119.45m,寬度為14m.由于泄洪洞整體模型較大且為軸對稱圖形,為簡化計算本數(shù)值模擬僅計算其一半?yún)^(qū)域,對稱面位于樁號0+800m處,設(shè)為symmetry.為簡化分析,模擬結(jié)果分析對象選取1~3號摻氣坎.網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式,根據(jù)模擬區(qū)域特點的不同,網(wǎng)格尺度的變化范圍0.3~0.8m.水流挑過摻氣坎30m后流態(tài)較為穩(wěn)定,因此在類似的位置內(nèi)網(wǎng)格的間距較大,網(wǎng)格尺度0.8m.為精確顯示水面線,在水氣交界面網(wǎng)格較密.摻氣挑坎和坎后30m區(qū)域水流流線彎曲較大,網(wǎng)格布置較密,網(wǎng)格尺度為0.3m.3.2部門內(nèi)水流沿程變化梯度取水體體積分數(shù)0.65為水氣交界面,以此模擬水面線.由圖3可以看到,洞內(nèi)水流平順,左右對稱,水面線沿程變化梯度較小,沒有出現(xiàn)翻滾、爬高、竄頂?shù)葠毫恿鲬B(tài).在各道摻氣坎的落水點后,水面線稍有抬升,但不形成水翅.3.3浮擴散和坎下排水,加標(biāo)回水分析圖4可發(fā)現(xiàn),1號和2號坎由于水流弗汝德數(shù)較小,摻氣豎井摻入水體中的氣體在向下游移動的同時也上浮擴散,坎下積水,回溯水流較強,回水堵塞摻氣豎井,空腔長度較小,影響水流摻氣;2號坎的摻氣豎井完全被回水堵塞,回溯水流強度大于1號坎;3號坎后能夠形成穩(wěn)定摻氣空腔,坎上無回水,可形成清晰完整的摻氣空腔,能有效摻氣,且空腔長度比較接近,但都相對1~2號坎較大,3號坎回溯水流強度很小.4數(shù)值模擬結(jié)果的驗證4.1調(diào)查模型及結(jié)果為驗證數(shù)值模擬的合理性,可結(jié)合物理模型試驗成果來分析.根據(jù)水流運動的相似原理和弗氏模型相似律進行模型設(shè)計,長河壩水工模型為正態(tài)模型,幾何比尺λL=50.實例流態(tài)見圖5,試驗發(fā)現(xiàn),1號泄洪洞在設(shè)計水位(1690m)下,1號坎、2號坎存在回水現(xiàn)象,回水間歇性堵塞摻氣豎井,空腔長度較小,影響水流摻氣.3號坎無回水,形成清晰完整的摻氣空腔,能有效摻氣.各摻氣坎水力參數(shù)情況如表1所示.4.2水面線總體變化對比根據(jù)明渠恒定非均勻漸變流的基本方程,利用數(shù)值模擬中的流量和控制斷面可以計算得到水面線.圖6為模擬水面線和實測水面線的比較情況,模擬水面線總體變化均勻,模擬值和實測值吻合良好.4.3斷面流速特征圖7給出了沿程斷面平均流速的模擬值和實測值.1號泄洪洞的斷面平均流速大致分布為22~40m/s,從上游到下游流速沿程增大.總體上流速模擬值和實測值符合較好,流速分布變化均勻.4.4數(shù)值模擬驗證本文對在設(shè)計水位下?lián)綒饪仓袛?shù)值模擬和模型試驗的部分水力參數(shù)進行了對比驗證,結(jié)果如表2.對比數(shù)值模擬和模型試驗發(fā)現(xiàn),坎上斷面平均流速、坎上水深、空腔長度、空腔負壓值都比較接近,說明本文數(shù)值模擬結(jié)果是合理的.模型試驗和數(shù)值模擬中都可以看到1號泄洪洞在設(shè)計水位下,1號坎、2號坎空腔長度較小,存在回水現(xiàn)象,回水間歇性堵塞摻氣豎井;3號坎空腔長度較大,無回水,形成清晰完整的摻氣空腔,能有效摻氣.5原設(shè)計方案對比原工程設(shè)計中1~2號摻氣坎存在回水堵塞現(xiàn)象,以1號坎為例,本文通過數(shù)值模擬確定其優(yōu)化方案.原設(shè)計方案1號坎坎高為0.8m,研究表明坎高是影響其摻氣效果的重要因素,一般提高坎高可采用增大摻氣量的方法,本文擬比較坎高為0.9m和1.0m兩種方案.1)優(yōu)化方案一(連續(xù)坎,1號坎高0.9m),見圖8所示.2)優(yōu)化方案二(連續(xù)坎,1號坎高1.0m),見圖9所示.3)最優(yōu)方案由圖9可以看到,優(yōu)化方案一洞內(nèi)水流平順,無不利流態(tài).觀察圖8(c)發(fā)現(xiàn),1號、2號摻氣坎均能夠形成穩(wěn)定摻氣空腔,坎下基本沒有回溯水流,原設(shè)計方案回水堵塞摻氣豎井的現(xiàn)象消失.圖9(b)、(c)說明優(yōu)化方案二洞內(nèi)水流平順,無不利流態(tài).對比圖8(c)和圖9(c),方案二中1號摻氣坎后摻氣空腔較優(yōu)化方案一小,坎下回水較強,回水堵塞摻氣豎井.原因是優(yōu)化方案二較方案一加大了挑坎高度,導(dǎo)致挑射水舌落水點處流線與底板交角增大,產(chǎn)生較強的回溯水流,這證明挑坎高度并非越大越好.綜上所述,優(yōu)化方案一較方案二更優(yōu),因此確定優(yōu)化方案一(坎高0.9m)為最終方案.6摻氣坎坎沖積數(shù)值結(jié)果分析本文采用數(shù)模模擬的方法對長河壩水電站1號泄洪洞摻氣坎水力特性進行了三維模擬,并分析了1號坎不同優(yōu)化方案,得到如下結(jié)論:1)本文數(shù)值模擬采用紊流模型與VOF多相流模型相結(jié)合是成功的.通過數(shù)值模擬,分析了摻氣水流流態(tài)及摻氣坎水相分布情況,計算得到了摻氣坎坎上平均流速、水深、空腔長度、空腔負壓值等,結(jié)果與模型試驗實測值吻合良好,這表明本文的數(shù)值模型可對摻氣坎