高水頭平面閘門后接平坡水力特性研究

高水頭平面閘門后接平坡水力特性研究

在國內(nèi)外的水上和陸地交通工程中，應(yīng)急壩和突然壩涌混合氣裝置通常用于高流量排水建筑物，并通常與高壓弧形門相結(jié)合，以防止快速擴(kuò)張和下降。然而，在一些項目中，突擴(kuò)和下降的下游仍然存在空侵蝕和破壞。基于高流量目標(biāo)的傾斜壓力調(diào)整設(shè)計時，采用應(yīng)急擴(kuò)大和下降水流型排水格局。在實際應(yīng)用和研究中，很少有應(yīng)用和研究大門槽的應(yīng)用和研究。在這種情況下，需要配置大門槽。為了防止高速流量下門槽的空蝕，門通常應(yīng)收縮門后流的通道，以提高門段的壓力。同時，門段中的壓流采用應(yīng)急擴(kuò)張和變形交換裝置制成無壓力擴(kuò)散和擴(kuò)散混合水流。局部水流特征相對復(fù)雜。因此，要研究該體的水流特征，必須結(jié)合門后壓板段的出口規(guī)模、底板槽的尺寸和調(diào)整，重點研究門段的壓力特征、突擴(kuò)和拱的混合效應(yīng)以及輸出的連通性。對于突擴(kuò)突跌段水力特性的研究主要以試驗手段為主,隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體動力學(xué)的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)己逐漸成為研究水工水力學(xué)問題的重要手段.為深入研究平面閘門突擴(kuò)突跌段的水流特性,本文利用三維紊流數(shù)值模擬方法,采用紊流模型和VOF方法跟蹤自由水面,結(jié)合龍開口水電站沖沙底孔流道體型優(yōu)化模型試驗,對平面閘門出口采用突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施的水流特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,并對其體型進(jìn)行優(yōu)化研究.1追蹤自由表面大量的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明,k-ε雙方程紊流模型是模擬強(qiáng)紊動水流的有效模型.本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型,三維水流模型控制方程為連續(xù)方程、動量方程及由選用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流模型封閉系統(tǒng)方程組,具體方程見文獻(xiàn).對于自由表面的處理,選用VOF模型追蹤自由表面.其方法的基本思想是: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)水和氣占計算區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)(體積的相對比例).在每個單元中,水和氣的體積分?jǐn)?shù)和為1,即αw+αa=1:αw=1,表示該單元完全被水充滿;αw=0,表示該單元完全被氣充滿;0<αw<1,表示該單元有水氣交界面.水的體積分?jǐn)?shù)αw的控制微分方程為?αw?t+ui?αw?xi=0(1)?αw?t+ui?αw?xi=0(1)采用控制體積法對偏微分方程組進(jìn)行離散.速度壓力耦合采用PISO算法,與SIMPLE族算法相比,PISO算法在每一時間步內(nèi)的計算精度高于SIMPLE族算法,還增強(qiáng)了網(wǎng)格偏斜修正,減少了收斂所需的計算時間.2數(shù)值計算模型龍開口水電站沖沙底孔由進(jìn)口段、洞身段、出口段、泄槽段和挑流鼻坎組成(見圖1).洞身段尾部工作門采用平面閘門,孔口尺寸為3.2m×4.2m(寬×高),并通過壓坡段至明流泄槽,出口部位孔口尺寸為3.2m×3.8m,出口高程為1224.6m,有壓段后部接明流平坡泄槽,底高程1224.0m,斷面寬4m,出口形成突擴(kuò)突跌的摻氣設(shè)施.為防止泄槽后半部水流氣蝕,在泄槽中部設(shè)置摻氣槽一道.尾部采用挑流消能,挑坎位于尾水渠反坡段末端,采用異型斜鼻坎將水流挑至河道中部,明流泄槽段總長146.6m.數(shù)值計算了同一水庫水位下,不同體型內(nèi)流道的水力特性.計算區(qū)域由概化的上游水庫到異型鼻坎出口組成.網(wǎng)格剖分在過渡段采用適應(yīng)性較強(qiáng)四面體網(wǎng)格,其余部位為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,且盡量同水流方向一致,在閘門門槽及有壓到無壓過渡段,網(wǎng)格較密.整個模擬區(qū)域劃分網(wǎng)格均為42萬多個.對于給定工況,庫水位是恒定的,各體型模擬均采用正常蓄水位為1298.0m.上游邊界設(shè)為給定庫水位,水進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口邊界條件,用自定義函數(shù)(UDF)給定由試驗測算的入口x方向速度沿水深方向分布.相應(yīng)的入口紊動能和紊動耗散率的值按經(jīng)驗公式給出.水庫、泄槽及摻氣槽與空氣的接觸面為壓力進(jìn)口邊界條件,取為一個大氣壓.挑坎出口為壓力出口,出口壓力為大氣壓強(qiáng).對近壁面流動采用壁面函數(shù)模擬,壁面上采用無滑移條件.3突漲體型設(shè)計數(shù)值模擬結(jié)合比尺1∶20的模型試驗,對其突擴(kuò)突跌體型進(jìn)行了原設(shè)計方案、調(diào)整方案一和調(diào)整方案二3個方案對比優(yōu)化研究.重點對比分析突擴(kuò)突跌出口泄槽水力特性及其摻氣特性.3.1突擴(kuò)和沉降釋放池的流狀態(tài)和壓力3.1.1射流沖擊下沖擊韌性原設(shè)計方案中閘門段底板高程為1224.6m,后接平坡明流泄槽段寬4m,高程為1224.0m.即出口側(cè)向存在0.4m的突擴(kuò),豎向存在0.6m的跌坎,形成突擴(kuò)突跌的摻氣設(shè)施,見圖2(a).泄槽段的整體流態(tài)見圖3(a),圖3(b)為從泄槽首端每隔5m作一個橫斷面的流態(tài)圖.出閘射流在與泄槽側(cè)壁和底板的交匯處方向改變,反射水流向上向前在泄槽側(cè)壁形成水翅.水翅起于射流沖擊邊墻處,并且持續(xù)到水翅的落點.壓坡段出口到泄槽側(cè)壁的間距為0.4m,出閘水流同泄槽側(cè)壁的夾角較小,反射水流與出閘中間主流流向基本一致,出口僅出現(xiàn)微小的水翅,水翅沿邊壁落下后平順的歸入主流,沒有激起沖擊波及邊墻衍生小水翅,泄槽中流態(tài)平穩(wěn).水流在閘門出口由有壓流直接轉(zhuǎn)變?yōu)樾共壑械臒o壓流,高速水流受慣性和重力作用同時向側(cè)向和底部擴(kuò)散,受到泄槽側(cè)墻和底板的約束,發(fā)生反彈.圖3(c)為泄槽側(cè)壁和底板的壓力等值線圖,可知:在泄槽底板和側(cè)壁,壓力大致依次分為4個區(qū),即空腔區(qū)、沖擊區(qū)、過渡區(qū)和常態(tài)區(qū).空腔區(qū)內(nèi)壓力很小,局部為負(fù)壓,是通氣和摻氣的區(qū)域.跌落或擴(kuò)散水流沖擊壁面時,在沖擊點附近壓力驟變,壓力最大可達(dá)到147.1kPa,其后壓力逐漸恢復(fù)到正常分布.文獻(xiàn)表明弧形閘門后接突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施時,第3個區(qū)為由于水流的反射作用形成的低壓區(qū),模擬結(jié)果表明該工程并沒有出現(xiàn)該區(qū)域,說明該區(qū)域的存在與泄槽底坡大小及有壓出口壓坡段的坡比密切相關(guān).該工程泄槽底坡為平坡,閘門后壓坡段坡比為1∶10,出口射流斜向下,二者都利于水流在沖擊底板時入射角小于反射角,使得低壓區(qū)并不存在,而是由沖擊高壓區(qū)直接逐漸過渡到常壓區(qū),這也是弧形閘門與平面閘門后接突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施水力特性的不同處之一.3.1.2突擴(kuò)突失水翅設(shè)計調(diào)整方案一增大了側(cè)向突擴(kuò),見圖2(b),側(cè)向突擴(kuò)由設(shè)計方案的0.4m加大到0.6m,閘門出口泄槽流態(tài)見圖4(a)、(b),2個突擴(kuò)突跌體型出口水翅特性比較見表1.試驗及數(shù)值模擬都表明出口水翅因突擴(kuò)的加大而明顯增大,同時試驗研究表明水翅高度和長度,隨上游水位的提高而變高變長.由于水翅的存在,泄槽中流態(tài)紊亂,在水翅的落點,泄槽兩側(cè)水翅摻氣水流向泄槽中間匯合,形成沖擊波,并在側(cè)壁形成次生小水翅.泄槽中間冠狀水面明顯高于兩側(cè),加之中間摻氣挑坎使泄槽中流態(tài)變得更為紊亂.調(diào)整方案一僅加大側(cè)向突擴(kuò),說明水翅是由于出口在寬度方向上收縮過大引起的.突擴(kuò)突跌類側(cè)向水翅,突擴(kuò)是形成水翅的根源,突擴(kuò)愈大,水翅亦愈大.出口段側(cè)壁墻及底板的壓力如圖4(c),壓力特性同設(shè)計方案.3.1.3降壓器+突擴(kuò)體型金融針對調(diào)整方案一中泄槽中因水翅加大而流態(tài)紊流,不利于工程安全運(yùn)行,提出將孔口尺寸變?yōu)?3.2m×3.0m,泄槽寬度變?yōu)榕c閘門段等寬3.2m,這樣在出口僅有0.6m的跌坎,為有益于出口跌坎摻氣在出口加0.2m高的小挑坎.出口在側(cè)向取消突擴(kuò)消除了水翅,有壓轉(zhuǎn)為無壓,泄槽中流態(tài)簡單、平穩(wěn)(見圖5).研究發(fā)現(xiàn),雖然該方案取消了突擴(kuò),側(cè)墻壓力分布規(guī)律仍同突擴(kuò)方案,但底板壓力規(guī)律不同于前者.表現(xiàn)為:在底板沖擊區(qū)壓力等值線為直線分布,而突擴(kuò)體型由于射流同時向側(cè)向和豎向自由擴(kuò)散,但二者擴(kuò)散在空間上存在差異,使得射流體型出口的矩形變?yōu)椤巴埂毙?擴(kuò)散水流和底板沖擊時,中線位置水體較兩側(cè)高,壓力等值線為凸形,并在A、B點處壓力較小,見圖4(c),該處也是水翅的起點和底空腔的回水來源.3.2底坡等為東南角的摻氣設(shè)施體型設(shè)計難水流摻氣是減免泄水建筑物空化空蝕的常用方法,但對于一些小底坡甚至平坡泄水建筑物,往往存在空腔回水問題,影響摻氣設(shè)施的摻氣效果.這類底坡的摻氣設(shè)施體型設(shè)計一直是摻氣減蝕研究的難題.由于該泄槽為平底,增加了摻氣設(shè)施體型設(shè)計的難度.3.2.1挑坎漲坎和摻氣空腔優(yōu)化閘門出口設(shè)計和調(diào)整方案一都采用突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施,試驗表明,兩方案中出口底空腔都存在回水,且回水在不斷強(qiáng)烈翻滾.模擬計算采用非恒定流算法逼近恒定流穩(wěn)定解,從結(jié)果整理的視頻也可以看到底部空腔有回水漩滾的存在.由于突擴(kuò)突跌方案中,泄槽中存在較大水翅,在調(diào)整方案二中取消突擴(kuò),僅在出口存在0.6m的跌坎,同時在泄槽首端跌坎處加設(shè)0.6m×1.5m的通氣孔.該方案由于壓坡段坡比變大為1∶4.2,豎向壓縮較大,由于慣性和流速較大,同時由有壓流向無壓流過渡,使得出閘水流水面在縱向是斜向下收縮的,模擬出口摻氣流態(tài)圖見圖6.這樣不利于跌坎空腔的形成,造成出口摻氣空腔長度較小,底空腔和通氣孔不斷被強(qiáng)烈漩滾的回水淹沒,說明摻氣不穩(wěn)定,且不充分,同時存在摻氣“吭吭”的響聲,響聲主要是由摻氣空腔不穩(wěn)定引起.數(shù)值模擬同試驗出口摻氣流態(tài)一致.為此提出在閘門出口孔口底板上加0.2m的挑坎,形成0.8m的跌坎,以使出閘射流斜向上挑起,有利于摻氣空腔的形成.出口摻氣流態(tài)見圖5(b),模型試驗中也表明摻氣效果較好,底空腔雖仍有回水翻滾,但摻氣穩(wěn)定且摻氣量大.表明出口泄槽平坡時,該加挑坎跌坎摻氣方案取得了較好的摻氣效果,體型合理,同時使得泄槽中流態(tài)也較簡單平穩(wěn).3.2.2.調(diào)整方案b.槽原設(shè)計方案泄槽中間僅設(shè)1m×1m的摻氣槽,結(jié)果表明摻氣槽沒有起到摻氣作用,槽中和通氣孔中間充滿水,見圖7(a).其他條件相同時,水舌摻氣程度取決于挑射歷時的長短,通過改變摻氣坎的形狀和尺寸,使水氣腔體長度發(fā)生變化,從而調(diào)節(jié)水氣混合物的濃度.調(diào)整方案一在槽前加0.15m的挑坎,坡比1∶15.試驗測得其摻氣空腔長度a為6m左右,泄槽中存在0.76m的積水;計算摻氣空腔長為6.3m,積水為0.3m.調(diào)整方案二將挑坎加高到0.3m,坡比變?yōu)?∶10,計算其空腔長度為18.5m,積水深為0.7m,模型試驗空腔長為16m左右,積水深為0.7m,摻氣充分,且空腔很穩(wěn)定.各方案泄槽中間摻氣槽橫斷面流態(tài)圖見圖7,表明該紊流模型能較好模擬摻氣空腔特性.一般對Fr<7的低Fr數(shù)流動情況,摻氣阻力影響可忽略,但重力影響十分顯著,空腔區(qū)流線彎曲嚴(yán)重,摻氣空腔內(nèi)存在積水,研究表明積水同泄槽Fr有關(guān),Fr越小說明水流受重力影響越大,越易產(chǎn)生積水.根據(jù)斷面平均流速和過流水深計算Fr,泄槽內(nèi)摻氣槽處Fr在5左右,表明重力影響比較明顯,摻氣槽內(nèi)容易產(chǎn)生積水.4對結(jié)果的分析和討論針對有壓工作閘門后接平坡泄槽結(jié)合出口采用突擴(kuò)突跌的摻氣設(shè)施,結(jié)合龍開口水電站沖沙底孔突擴(kuò)突跌體型的優(yōu)化過程,采用數(shù)值模擬及大比尺的模型試驗并將兩者相關(guān)成果對照,進(jìn)行了3個體型方案的對比優(yōu)化研究,得出以下結(jié)論:1)因平面閘門門槽的存在,在研究