溢洪道水力特性數(shù)值計(jì)算與分析

張麗花 益波 李繼成

摘要：利用非恒定流VOF法中的open channel、realizable k-ε湍流模型，對(duì)溢洪道泄槽水流進(jìn)行了三維流場(chǎng)的紊流數(shù)值模擬研究，通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到了溢洪道泄槽的壓力分布、流速分布和流態(tài)等，并將計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示二者吻合度較好。

關(guān)鍵詞：溢洪道；水力特性；數(shù)值模擬

Abstract：With the VOF method of open channel、realizable k-ε model of unsteady flow，the chute flows of spillway is simulated with a 3-D numerical model of turbulent flows.After the simulating computation，the hydraulic characteristics，such as the pressure distributions、velocities and flow patterns of the chute flows are acquired.The results are also compared with the physical model test.The results of those two methods are in accord well with each other.

Key words：spillway；hydraulic characteristics；numerical simulation

引言

樞紐布置當(dāng)中，泄水建筑物溢洪道是一種最常見、使用最廣泛的建筑物，它的泄流能力和安全運(yùn)行直接影響到主體建筑物大壩的安全，而在現(xiàn)今劇增的水電工程規(guī)模使它在整個(gè)工程中的重要性越來越突出。在對(duì)溢洪道進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)它進(jìn)行精準(zhǔn)的水力學(xué)計(jì)算及模型試驗(yàn)，保證其在各種工況下的泄流能力和安全運(yùn)行，并同時(shí)達(dá)到投資最少。

物理模型試驗(yàn)是驗(yàn)證水工建筑物布置合理性的傳統(tǒng)方法，是在按一定比例縮小了的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕向?yàn)證實(shí)際工程的各種水力特性，由于模型和原型不可能做到所有物理量完全相似，因此，有時(shí)模型并不能完全反應(yīng)原型的特性，僅可以反應(yīng)原型的主要特性。

本文在傳統(tǒng)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上還將目前已廣泛應(yīng)用的紊流數(shù)值模擬方法引入到溢洪道水力特性研究中來，應(yīng)用了目前具有國際先進(jìn)水平的Fluent流場(chǎng)計(jì)算程序，在對(duì)溢洪道進(jìn)行水力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了溢洪道泄槽的壓力分布、流速分布和流態(tài)等，并且將結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了較好的吻合度。

1.工程概況

某水電站工程主要任務(wù)為發(fā)電，工程等別為二等大（2）型。擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為2級(jí)建筑物，永久性次要建筑物為3級(jí)建筑物。因土石壩壩高超過100m，擋水建筑物、泄洪建筑物提高一級(jí)按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

水電站樞紐主要建筑物體系為：混凝土面板堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)及右岸泄水體系組成。泄水建筑物均布置在河右岸，包括二孔溢洪道和一條有壓泄洪洞。

水電站特征水位見表1。

2.數(shù)學(xué)模型

2.1 湍流控制方程

湍流采用雷諾平均法處理，雷諾切應(yīng)力由湍流粘性系數(shù)法得到?？刂品匠贪ㄟB續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、k方程、 方程。若在VOF模型中，由于水和氣共有相同的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)，因而對(duì)水氣兩相流可以像單相流那樣采用一組方程來描述流場(chǎng)。對(duì)于本文采用的k- 紊流模型，連續(xù)方程、動(dòng)量方程和k、 方程可分別表示如下：

2.2 對(duì)自由表面的處理

VOF法是Hirt&Nichols于1981年提出的，模型通過求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的容積比來模擬2種或3種不能混合的流體。模型對(duì)每一相引入體積分?jǐn)?shù)變量，通過求解每一控制單元內(nèi)體積分?jǐn)?shù)確定相間界面。對(duì)于水氣兩相流場(chǎng)，假設(shè)水和氣具有相同的速度，即服從同一組動(dòng)量方程，但它們的體積分?jǐn)?shù)在整個(gè)流場(chǎng)中都做為單獨(dú)變量。在每個(gè)單元中，水和氣的體積分?jǐn)?shù)為1，與真正的單相流相比，多一個(gè)體積分?jǐn)?shù)變量。如果α表示水的體積分?jǐn)?shù)，則氣的體積分?jǐn)?shù)β可表示為：β=1-α。

在一個(gè)控制單元里，α=0時(shí)，控制單元內(nèi)沒有水，α=1時(shí)，控制單元內(nèi)充滿水，0<α<1時(shí)，控制單元內(nèi)包含水氣交界面。在每個(gè)控制單元內(nèi)各相體積分?jǐn)?shù)總和為1。

2.3 紊流模型選取

對(duì)于紊流模型的選取，除了要測(cè)定其用于各種不同流動(dòng)時(shí)能在不調(diào)整其中的常數(shù)項(xiàng)前提下以多大精度描述流動(dòng)外，還要測(cè)定其計(jì)算所需的費(fèi)用及處理問題所需的時(shí)間，后者對(duì)工程應(yīng)用尤為重要。目前在工程應(yīng)用和研究中使用最廣泛的紊流模型為雷諾時(shí)均模型和大渦模擬，雷諾時(shí)均模型中又以雙方程k- 模型最為成熟，以雷諾應(yīng)力模型最為精確。對(duì)該大尺寸模型的模擬，考慮到雙方程中的realizable模型能夠較好的模擬該流動(dòng)。最后選擇realizable k- 模型來開展計(jì)算工作。

3.數(shù)值計(jì)算

本次計(jì)算主要對(duì)水電站溢洪道進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其水力特性并與水工模型試驗(yàn)進(jìn)行比較。

3.1幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

利用CAD平面圖構(gòu)建用于網(wǎng)格劃分的三維模型，生出的三維實(shí)體如圖1所示。

3.2邊界條件及解算步驟

庫區(qū)水流進(jìn)口采用的是壓力邊界進(jìn)口條件，使用明渠流算法，給出自由水面高度和總水頭，校核工況時(shí)，上游庫水位為2254.3m，設(shè)計(jì)工況時(shí)，上游庫水位為2253.0m。空氣進(jìn)口邊界設(shè)為壓力邊界條件，進(jìn)口邊界處均為大氣壓。

下游出口按相應(yīng)泄流量下的河道水位控制，采用壓力出口邊界條件，其他變量的法向梯度為0。

3.3計(jì)算成果

計(jì)算區(qū)域的坐標(biāo)原點(diǎn)選在溢流堰前端與水庫相接處，X軸取沿水流方向，沿水流流向?yàn)檎怠?/p>

本文對(duì)計(jì)算區(qū)域計(jì)算了2孔校核工況、設(shè)計(jì)工況兩種情況，與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。校核工況上游水位高程1225.88m，2孔全開泄量5873.0m3/s，設(shè)計(jì)工況上游水位高程2253.0m，2孔全開泄量5349.0m3/s，對(duì)這兩種工況采用非恒定流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算到50秒左右時(shí)，其流態(tài)及進(jìn)出口流量基本不變時(shí)，視為計(jì)算穩(wěn)定收斂情況，取計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到了一系列的水力要素。

3.3.1流量

采用規(guī)范公式計(jì)算值與模型試驗(yàn)率定值對(duì)比結(jié)果見表2，采用Fluent軟件計(jì)算值與規(guī)范公式計(jì)算值對(duì)比結(jié)果見表3。

3.3.2壓力

由比較圖及表可以看出，左溢洪道壓力值試驗(yàn)計(jì)算基本相當(dāng)，右溢洪道在溢0+342.5及0+433.0附近壓力峰值試驗(yàn)均未捕捉到，分析原因，此部位處在挑流鼻坎的底部，水流流速最大，沖擊力最大，實(shí)際工程中應(yīng)考慮設(shè)通氣孔摻氣以減小水流沖擊，鑒于此，做模型試驗(yàn)的時(shí)候應(yīng)對(duì)此部位注意驗(yàn)證。

3.3.3流速

由比較圖可以看出，試驗(yàn)與計(jì)算在量級(jí)與趨勢(shì)上基本一致。計(jì)算值稍大，考慮是由于試驗(yàn)限制，沒有撲捉到最大流速的原因。

結(jié)語

本文利用非恒定流模塊、vof法中的open channel、realizable k-ε湍流模型，對(duì)溢洪道泄槽水流進(jìn)行了三維流場(chǎng)的紊流數(shù)值模擬研究，通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到了溢洪道泄槽的壓力分布、流速分布和流態(tài)等，并將計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示二者吻合度較好。通過兩種方法得到的水力特性對(duì)比結(jié)果可以更加客觀地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：

張麗花（1981-），女，河北唐山人，碩士，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。