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      泄洪洞腔道渦流特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬研究

      2021-02-18 02:25:08涂建翔
      地下水 2021年6期
      關(guān)鍵詞:腔道洞段沿程

      涂建翔

      (江西省余干縣水利局,江西 余干 335100)

      本研究重點(diǎn)探究泄洪洞腔道水平渦流段至塞阻均勻段的渦流特性。分別基于側(cè)水位、自由流出和淹沒流出這三種工況下,充分考慮流動(dòng)速率、渦流角等重要水力因素,利用構(gòu)建的水工模型對(duì)泄洪洞腔道渦流特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M,旨在通過全過程的腔道渦流特性分析,為渦流洞體優(yōu)化布局設(shè)計(jì)進(jìn)一步提供技術(shù)依據(jù)。

      1 計(jì)算域網(wǎng)絡(luò)模型

      本模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由8部分構(gòu)成,最主要的包括蓄水池、上游側(cè)水體庫、回水渠、循環(huán)供水系統(tǒng)等。綜合分析基礎(chǔ)上,本研究決定采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)完成模型劃分工作。

      計(jì)算域網(wǎng)絡(luò)劃分如圖1(a)所示,計(jì)算域以起旋器進(jìn)口為起點(diǎn),以退水洞出口為終點(diǎn)。起旋器非構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)劃分如圖1(b)所示,各計(jì)算域均采用構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)劃分,但起旋器除外,同時(shí)對(duì)水平渦流洞段實(shí)施了網(wǎng)絡(luò)加密(見圖1(c))。

      圖1 計(jì)算域網(wǎng)絡(luò)模型

      由于起旋器進(jìn)口處流水一直保持穩(wěn)定狀態(tài),而且水流流動(dòng)也比較均勻,因此將流動(dòng)速率入口定義為進(jìn)口邊界條件;起旋室通氣孔進(jìn)口為典型的空氣大氣壓進(jìn)口;排氣孔出口為大氣壓出口;退水洞出口離水平渦流洞段840 m處流水整體相對(duì)平穩(wěn),對(duì)研究區(qū)域產(chǎn)生的影響不大,因此將其作為模型的出口邊界,設(shè)置為壓力出口邊界,定義為明渠流動(dòng)狀態(tài),給出出口水位高度。數(shù)值模擬所設(shè)定的邊界條件見表1具體所示。

      表1 數(shù)值模擬所設(shè)定的邊界條件

      2 主要參數(shù)和工況

      表2 模擬實(shí)驗(yàn)主要物理量比尺一覽

      表3 實(shí)驗(yàn)工況及主要參數(shù)

      3 泄洪洞腔道渦流特性分析

      3.1 關(guān)于腔道直徑的分析

      腔道直徑實(shí)際展示效果見圖2所示,空氣在起旋器內(nèi)與流水混合,構(gòu)成腔道旋轉(zhuǎn)流水,之后順著渦流洞呈空氣柱。

      圖2 腔道直徑分布狀態(tài)

      對(duì)圖3及表4中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面分析后發(fā)現(xiàn),自由流動(dòng)狀態(tài)下,渦流腔道呈現(xiàn)出明顯先低后大的演變趨勢(shì),在水平洞段末端附近達(dá)到了最低值,分別為6.32 m、6.5 m、6.54 m。究其原因在于流水由水平洞段流向塞阻段的過程中,截面面積會(huì)慢慢降低,徑向流動(dòng)速率快速増加,切向流動(dòng)速率則驟然降低,由此一來,不僅引發(fā)流水旋轉(zhuǎn)的離心力也快速降低,也會(huì)造成氣水旋轉(zhuǎn)的互相作用減小,流層厚度明顯增加,進(jìn)而導(dǎo)致腔道直徑縮小。隨著流水在塞阻段的進(jìn)一步流動(dòng),塞阻截面面積連續(xù)降低,流水流動(dòng)速率加大,由于快速旋轉(zhuǎn)加大了離心力,減小了腔道壓擠力,腔道直徑逐漸加大,直到塞阻均勻段出口。不同上游側(cè)水位下,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值保持高度一致,其最大值均出現(xiàn)在塞阻均勻段出口,分別為8.9 m、8.58 m、8.7 m,誤差僅為0.34 m,可見測(cè)量精度是非常高的。通過表4數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在上游側(cè)水位不斷升高的同時(shí),截面腔道直徑則隨之降低,表現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)的波動(dòng)變化,究其原因在于流腔道為周期性螺旋型氣柱,不同水位下,周期不同,測(cè)量同一截面而產(chǎn)生的差異。

      圖3 腔道直徑基于自由流出工況的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

      對(duì)圖4及表5中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面分析后發(fā)現(xiàn),在淹沒流出工況下,腔道直徑演變趨勢(shì)與自由流出情況下非常相近,均呈現(xiàn)出明顯先低后大的演變趨勢(shì),在水平洞段末端附近達(dá)到了最低值,分別為6.08 m、6.5 m、6.15 m,其最大值則出現(xiàn)在塞阻均勻段出口,分別為8.6 m、8.7 m、8.04 m,誤差僅為0.48 m,可見測(cè)量精度是非常高的。通過表5數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在上游側(cè)水位不斷升高的同時(shí),截面腔道直徑則隨之降低,表現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)的波動(dòng)變化,究其原因在于流腔道為周期性螺旋型氣柱,不同水位下,周期不同,測(cè)量同一截面而產(chǎn)生的差異。

      表4 腔道直徑基于自由流出工況的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值 m

      表5 腔道直徑基于淹沒流工況的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值

      3.2 關(guān)于渦流角的分析

      圖5及圖6直觀反映了在兩種不同流出工況下截面渦流角的整體演變情況。通過圖數(shù)據(jù)分析得知,在不同的水位情況下,渦流角沿程演變趨勢(shì)具有規(guī)律可循。在起旋器內(nèi)(z/D=0~1.1),達(dá)到了最低值,水平渦流洞段渦流角主要在50°~70°區(qū)間內(nèi)變化。在塞阻段進(jìn)口處(z/D=7.14),不同上側(cè)水位下,其渦流角分別是58°、59.8°、60°,流入塞阻段后,渦流角急劇縮小,原因是形成了聚縮流水效應(yīng),不僅流動(dòng)速率加大,流層厚度減小,而且軸向流動(dòng)速率也急劇增大。

      圖4 腔道直徑基于淹沒岀流工況的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

      圖5 典型截面渦流角自由流出條件的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

      圖6 典型截面渦流角淹沒岀流條件的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

      圖7 典型面渦流角自由流條件演變狀態(tài) 圖8 典型面渦流角淹沒流條件演變狀態(tài)

      圖7及圖8直觀反映了在兩種不同岀流工況下截面渦流角的整體演變情況。在橫截面上,臨近壁面和氣水交界面這兩部位的渦流角分別達(dá)到了最高值和最小值,而且沿著徑向存在逐步增大的趨勢(shì),由此證實(shí),水層臨近壁面的流動(dòng)速率快速增大,向下方流動(dòng)的速度就相應(yīng)加快,而且沿圓心表現(xiàn)出明顯的一側(cè)偏大演變趨勢(shì),在起旋器出口(z/D=1.1)處,渦流角趨近于90°,證明該位置流水仍處于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)周期,并未迅速地下向游流動(dòng),臨近洞頂一側(cè)則達(dá)到了80°,證明此區(qū)域的流水開始向下游流動(dòng)。在不同水位下,塞阻段均勻段(z/D=9)的演變規(guī)率與其他區(qū)域的表現(xiàn)截然相反,同時(shí)呈顯著的非對(duì)稱分布趨勢(shì),渦流角在臨近洞壁處達(dá)到了最大,基本穩(wěn)定在40°左右, 而在氣水交界面處達(dá)到了最低,還不足10°。究其原因在于均勻段的水層即將進(jìn)入分散擴(kuò)展段,臨近壁面?zhèn)攘魉x心力更高,外側(cè)流水便沿壁面分散擴(kuò)展。通過圖數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn),z/D=2至z/D=8.1的渦流角沿程演變規(guī)律非常相近,渦流角隨著流程增加而表現(xiàn)出明顯的降低之勢(shì)。

      3.3 關(guān)于紊動(dòng)能的分析

      圖9及圖10直觀反映了在兩種不同岀流工況下紊動(dòng)能沿程分布的整體變化情況。通過圖數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),水位演變對(duì)腔道渦流沿程紊動(dòng)能造成的影響非常小,甚至可直接忽略不計(jì),演變規(guī)律也基本一致。均在起旋器出口處紊動(dòng)能急劇增大,然后在水平洞段跟隨沿程變化而發(fā)生相應(yīng)改變。流水達(dá)到塞阻段(x=100m)時(shí),因?yàn)槎磸剿查g聚縮,致使流水紊動(dòng)強(qiáng)烈,所以紊動(dòng)能就持續(xù)地加大,但到達(dá)塞阻均勻段(x=120m)后,由于洞徑不再發(fā)生變化,因此紊動(dòng)能演變趨向平緩。流水進(jìn)入分散擴(kuò)展段后與氣體混摻,紊動(dòng)能瞬間加大,在淹沒流出工況下,洞頂?shù)奈蓜?dòng)能明顯增大,而洞底紊動(dòng)能卻急劇減小,其原因在于洞底存在水層,而洞頂只是輕微的氣水兩相流,所以兩者存在明顯的紊動(dòng)能差異。

      圖9 紊動(dòng)能自由流條件沿程分布狀態(tài)

      圖10 紊動(dòng)能淹沒流條件沿程分布狀態(tài)

      通過圖11數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),沿流水方向,起旋器端頭周圍紊動(dòng)能相對(duì)較大,之后隨著沿程變化而不斷走低,直至達(dá)到塞阻段后,紊動(dòng)急劇升高,并達(dá)到了56 m2/s2最高值。通過圖演變趨勢(shì)還發(fā)現(xiàn),高紊動(dòng)區(qū)及腔道直徑的演變規(guī)律完全吻合,而且氣體的紊動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于流水的紊動(dòng)。由于氣體具有密度小、黏性差等特點(diǎn),無法把控自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此在氣水混摻的區(qū)域發(fā)生強(qiáng)紊動(dòng)現(xiàn)象。

      圖11 紊動(dòng)能自由流條件193.9m上游側(cè)分布變化云狀態(tài)圖

      3.4 關(guān)于耗能率的分析

      通過表6數(shù)據(jù)分析可進(jìn)一步了解到,水平渦流洞段耗能率基本穩(wěn)定在25%上下,塞阻-漸擴(kuò)式水平渦流泄洪洞耗能率則超過了40%以上,并且相較于自由岀流工況,淹沒岀流工況的耗能率更大一些。根據(jù)文獻(xiàn)得知,氣水兩相流耗能率為40%,水平渦流泄洪洞總耗能率達(dá)到80%以上,很明顯,這與水電站泄洪耗能要求相符。

      表6 耗能率工況差異條件下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

      4 結(jié)語

      本研究基于側(cè)水位、自由流出和淹沒流出三種工況,對(duì)泄洪洞腔道渦流特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬計(jì)算成果進(jìn)行專題比對(duì)分析,通過水力特性分析得出以下幾個(gè)重要結(jié)論:

      (1)不同工況下,腔道直徑呈現(xiàn)出先降低后加大的演變趨勢(shì),而且在塞阻均勻段出口達(dá)到了最大。當(dāng)上游側(cè)水位不斷升高時(shí),截面腔道直徑卻隨之大幅降低。

      (2)渦流角在水平洞段表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)特性,但抵達(dá)塞阻段后就陸續(xù)降低。渦流角在臨近洞壁處達(dá)到了最大,基本穩(wěn)定在40°左右, 而在氣水交界面處達(dá)到了最低,還不足10°。

      (3)沿流水方向,起旋器端頭周圍紊動(dòng)能相對(duì)較大,之后隨著沿程變化而不斷走低,直至達(dá)到塞阻段后,紊動(dòng)急劇升高,并達(dá)到了56 m2/s2最高值。

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