泄洪洞工作閘室及陡坡明渠段體型優(yōu)化數(shù)值模擬

黨　彥，王炳軍，李紅梅，陳　剛

(1.青島濱海學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266555；

2.山東科技大學(xué) 土建學(xué)院， 山東 青島 266590； 3.安康學(xué)院， 陜西 安康 725000)

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泄洪洞工作閘室及陡坡明渠段體型優(yōu)化數(shù)值模擬

黨彥1，王炳軍2，李紅梅1，陳剛3

(1.青島濱海學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266555；

2.山東科技大學(xué) 土建學(xué)院， 山東 青島 266590； 3.安康學(xué)院， 陜西 安康 725000)

摘要：對九甸峽水電站右岸泄洪洞工作閘室，包括圓直段、圓變方段、方洞段、弧形閘門段、漸變段和明渠段流場進行了數(shù)值模擬。獲得了水面線、壓力、空化數(shù)、流速等水力要素。成功捕捉到了壓力洞出口處的水翅、突擴跌坎處側(cè)空腔和底空腔。計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)符合較好，根據(jù)計算結(jié)果，提出了能解決原方案負壓區(qū)嚴(yán)重和明渠陡坡空蝕破壞問題的泄洪洞體型修改方案。

關(guān)鍵詞：泄洪洞；數(shù)值模擬；VOF法；水翅；空腔；體型優(yōu)化

泄洪洞是水利工程中常見的泄水建筑物，泄洪水流因流速高常伴有脈動、負壓、空化空蝕等水力問題，其體型設(shè)計尤為重要。泄洪洞體型的設(shè)計要同時滿足工作要求和樞紐安全[1-3]。隨著計算機技術(shù)和紊流模型的日趨成熟，數(shù)值模擬方法逐漸被工程界所接受[4-8]。采用模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對甘肅省九甸峽水電站右岸泄洪洞工作閘室內(nèi)流場進行模擬，得到了水面線、壓力、沿程空化數(shù)等重要水力特性，以期對其體型修改提供參考數(shù)據(jù)。

1九甸峽水利工程右岸泄洪洞計算模型

甘肅九甸峽水利樞紐工程右岸泄洪洞漸變段及陡坡明渠段體型具體尺寸見圖1。模型試驗按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，幾何比尺λL=1/50。

1.1計算區(qū)域選取及網(wǎng)格劃分

右岸泄洪洞漸變段及陡坡明渠段(原方案)體型見圖1。右岸泄洪洞(原方案)計算區(qū)域見圖2。

圖1　原方案右岸泄洪洞漸變段及陡坡明渠段體型(單位：m)

圖2原方案右岸泄洪洞計算區(qū)域

特殊部位網(wǎng)格生成情況見圖3～圖6。對邊壁、近壁、底板、圓直段、圓變方段、弧形閘門段以及水力要素有可能變化段網(wǎng)格均進行加密或特殊處理。計算結(jié)果表明：這種網(wǎng)格化分方法不僅提高了收斂速度，而且能較合理的捕捉到相關(guān)的水力特性。體現(xiàn)了網(wǎng)格的形式和密度對計算結(jié)果的重要影響。

圖3　邊壁網(wǎng)格劃分圖

圖4　近壁網(wǎng)格劃分

圖5　圓直段和圓變方段網(wǎng)格劃分

圖6方洞段和弧形閘門段網(wǎng)格劃分

1.2紊流模型

采用k～ε紊流模型，計算方程分別表示如下：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

ρ=Fρw+(1-F)ρa

(5)

μ=Fμw+(1-F)μa

1.3離散方案及邊界條件

采用文獻[9]和文獻[10]推薦的體積控制法和二次迎風(fēng)格式進行離散，水相速度入口條件，固壁及黏性地層分別做無滑移邊界條件處理和壁函數(shù)處理。

2計算結(jié)果分析

2.1水面線及水流流態(tài)

數(shù)值模擬成功獲得水氣界面線，見圖7～圖10。從水面線看，進口水面平穩(wěn)，整個泄水明渠內(nèi)無大的水面波動，但由于體型突變出口處有水翅出現(xiàn)，同時存在側(cè)空腔和底空腔，見圖11。

圖7　陡坡明渠段水面線比較圖

圖8　明渠段水氣界面(y=0)

圖9　沿程各橫斷面水氣界面

圖10　側(cè)墻附近剖面水氣界面(y=-2.8 m)

圖11底部空腔

2.2壓力特性

圖12顯示計算與實測底板中線壓力分布值符合較好。

側(cè)墻測壓點布置情況見圖13。計算結(jié)果表明：突擴跌坎側(cè)墻壓力雖都為正壓分布，但壓力值較小。

圖12　底板中線壓力分布

圖13側(cè)墻測壓點布置

2.3流速分布

實測與計算流速分布見圖14。設(shè)計水位下，底部流速范圍為25 m/s～30 m/s，表面流速范圍為30 m/s～35 m/s。

2.4空化特性

空化特性見表1，結(jié)果顯示：明渠段易發(fā)生空蝕破壞。

表1　沿程水流空化數(shù)K計算成果

圖14典型斷面流速分布

3結(jié)論

本文對甘肅省九甸峽水電站右岸泄洪洞閘室及陡坡明渠段流場計算，計算結(jié)果與模型試驗數(shù)據(jù)符合良好。原方案在設(shè)計工況下存在水翅、側(cè)空腔、底空腔等危及建筑物安全的問題。采用參考文獻[11-15]中方法對其體型進行修改，對明渠段陡坡坡度進行了調(diào)整，同時，在工作閘室跌坎下游和明渠陡坡處分別加設(shè)通氣孔輸入空氣，較好地解決了原方案中負壓區(qū)嚴(yán)重和明渠陡坡的空蝕破壞現(xiàn)象。調(diào)整后的推薦方案體型如圖15所示。推薦方案下水流流態(tài)明顯好于原方案，本例說明了數(shù)值模擬方法在同類型建筑物體型優(yōu)化中可以發(fā)揮重要作用。與傳統(tǒng)的模型試驗方法相比，數(shù)值模擬方法速度快，花費少，具有一定的借鑒價值。

圖15推薦方案右岸泄洪洞漸變段及陡坡明渠段體型(單位：m)

參考文獻：

[1]花立峰.導(dǎo)流泄洪洞泄洪消能問題研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2011，9(1)：47-50．

[2]鄧建偉，花立峰，安夢雄．龍?zhí)ь^式泄洪洞體型設(shè)計與泄洪消能問題研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2013，11(3)：165-168．

[3]劉小良，張朋鶴，王鑫．龍?zhí)端畮鞂?dǎo)流泄洪洞運行水力特性研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2015，13(4)：159-161．

[4]廉玲軍，王韋，徐威，等．洞塞泄洪洞的3維數(shù)值模擬研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版)，2011,43(3)：1-6．

[5]南洪，賀威，韓鵬輝，等．查日扣水電站豎井旋流泄洪洞水力學(xué)數(shù)值模擬研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2015，13(5)：204-207.

[6]南洪，賀威，韓鵬輝，等．豎井旋流泄洪洞消力井深度對豎井消能率影響的數(shù)值模擬研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2014，12(5)：133-136．

[7]葛晨，牛爭鳴，李奇龍，等．泄洪洞內(nèi)具有阻塞與擴散段的水平旋流消能方式水力特性的試驗與數(shù)值模擬(2)[J]．水力發(fā)電學(xué)報，2015，34(1)：73-78.

[8]黃浩，張昌兵，幸智．二灘水電站1號泄洪洞水力特性與摻氣減蝕的三維數(shù)值模擬[J]．水資源與水工程學(xué)報，2011，22(6)：168-170.

[9]武利龍，黃萌，陳斌．基于自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的VOF方法[J]．工程熱物理學(xué)報，2011，32(11)：1863-1865.

[10]呂緒明，徐一民，喬梁，等．泄洪洞突擴突跌摻氣設(shè)施水力特性研究[J]．中國農(nóng)村水利水電，2015(8)：152-157.

[11]馬旭東，戴光清，楊慶，等．突擴突跌摻氣射流對泄洪洞側(cè)墻水力特性的影響[J]．水力發(fā)電學(xué)報，2012，31(3)：142-147.

[12]牛爭鳴，南軍虎，洪鏑．一種新型摻氣設(shè)施的試驗研究[J]．水科學(xué)進展，2013,24(3)：372-378.

[13]張志學(xué)．新疆某水利樞紐工程底孔工作閘室體型優(yōu)化設(shè)計[J]．水利科技與經(jīng)濟，2013,19(8)：62-64.

[14]張宏偉，劉之平，張東，等．高水頭大流量泄洪洞側(cè)壁摻氣設(shè)施水力特性研究[J]．水力發(fā)電學(xué)報，2015，34(10)：111-116.

[15]張勇，劉韓生，汪洋，等．型窄縫挑坎在水電站導(dǎo)流泄洪洞中的應(yīng)用[J]．水資源與水工程學(xué)報，2015，26(4)：149-152．

Numerical Simulation of Working Chamber of Flood Discharging Tunnel and Open Channel

DANG Yan1， WANG Bingjun2， LI Hongmei1， CHEN Gang3

(1.InstituteofCivilEngineering，QingdaoBinhaiUniversity，Qingdao,Shandong266555,China；2.CollegeofCivilEngineering&Architecture,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao，Shandong266590,China； 3.AnkangUniversity,Ankang,Shaanxi725000,China)

Abstract：The numerical simulation of Jiudianxia hydropower station right bank spillway tunnel working chamber was carried out. The simulated area covers the working chamber of flood discharging tunnel, round-straight region, round changing square region, square hole region, tainter valve region, transition region, and open channel section. The obtained hydrodynamic characters include the depth of flow, pressure distribution, variation of cavitation, velocity distribution and the velocity distribution along the flood discharge tunnel. Water-wing, sudden enlargement drop-sill, side cavity and bottom of the cavity have been successfully obtained. Comparison between the numerical results and model test data shows a satisfactory agreement. Based on these results, some suggestions which can successfully solve the burden problems and the cavitation erosion have been proposed for the modification of the spillway tunnel.

Keywords:spillway tunnel; numerical simulation; VOF method; water-wing; cavities; optimal design

中圖分類號：TV135.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2016)02—0163—04

作者簡介：黨彥(1981—)，女，陜西韓城人，講師，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究工作。 E-mail: dangyanqd@sohu.com。通信作者：王炳軍(1977—)，男，山東濰坊人，講師，主要從事巖體斷裂力學(xué)邊界元方法研究方面的工作。E-mail: bingjun.wang@sohu.com

收稿日期：2015-12-31修稿日期：2016-02-05

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.02.032