通氣孔型式對超寬泄槽的摻氣影響研究

李浩田，別玉靜，顧太歐

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081）

0 引言

泄水建筑物垂直水流方向?qū)挾却笥?5 m 的泄槽，可以定義為超寬泄槽。超寬泄槽在大流量的溢洪道工程中較為常見，常規(guī)的泄槽摻氣結(jié)構(gòu)主要依靠邊墻兩側(cè)開孔的方式向水流摻氣，這種摻氣方式只能對靠近邊墻兩側(cè)10～15 m 范圍內(nèi)的水流摻氣，且摻氣能力由兩側(cè)向中間減弱，在寬槽的中部，存在較大范圍的摻氣盲區(qū)。對于寬度越大的泄槽，摻氣盲區(qū)的范圍越大，摻氣盲區(qū)的結(jié)構(gòu)在高速水流作用下，極易發(fā)生空化空蝕破壞，影響泄洪系統(tǒng)的運行安全[1]。鑒于此，本文主要致力于研究摻氣均勻性差的難題。

本文應(yīng)用數(shù)值模擬，計算原理采用兩方程模型RNGk-ε[2]進行迭代計算。對泄槽的不同通氣孔面積在不同高程下，水流流態(tài)、水力特性進行詳細(xì)分析研究，總結(jié)出摻氣面積對泄流摻氣的影響，可以用于其他工程參考和應(yīng)用。

1 工程概況及模型簡介

某水電站由鋼筋混凝土面板堆石壩、左岸開敞式溢洪道、右岸泄洪洞、右岸地面廠房及引水系統(tǒng)組成，工程規(guī)模為Ⅱ等大（2）型工程。溢洪道總體長約1.26 km，泄槽段共布置三級摻氣坎如圖1所示。此次數(shù)值模擬采用局部計算溢洪道的一級摻氣坎，針對溢洪道摻氣坎建立三維數(shù)學(xué)模型，泄槽底坡i=7.5%，挑坎高△=3.5 m，挑坎坡度1∶16。計算區(qū)域包括挑坎上游117.5 m，挑坎段21.5 m，摻氣坎下游171.0 m，總長310.0 m，寬度為50.0 m。

圖1 溢洪道整體平面圖

2 計算原理

2.1 計算方法

采用有限體積法，對數(shù)學(xué)方程式進行迭代計算，水面波動形態(tài)采用水汽兩相流方式進行捕捉，壓力速度耦合方程采用對瞬態(tài)收斂較好的PISO算法[3]，其中體積分?jǐn)?shù)采用二階格式計算，其余采用一階格式。

2.2 計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

計算模型有5 種摻氣方案，區(qū)別在于跌坎內(nèi)側(cè)的摻氣圓管數(shù)量不同。不同的計算模型，計算區(qū)域的選取和劃分網(wǎng)格的方法基本相同，以6 個摻氣圓管方案為例，簡要說明計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分原則。模型中間部位設(shè)有摻氣坎，摻氣坎邊墻兩側(cè)設(shè)有矩形摻氣槽，跌坎內(nèi)側(cè)設(shè)有圓形摻氣管。模型的網(wǎng)格數(shù)量為340 萬。

2.3 邊界條件

邊界條件設(shè)置：速度進口，取斷面平均速度；壓力出口，設(shè)置為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，保證出口水流為均勻流；無滑移壁面，混凝土襯砌渠道粗糙高度取0.8 mm。

進出口邊界條件中的參數(shù)均采用湍動能k和湍動能耗散率ε，由明渠流經(jīng)驗公式確定：

其中：vm為進口速度，m/s；H0為進口水深，m。迭代計算過程中，可適當(dāng)調(diào)節(jié)松弛因子，加快收斂。

3 方案對比

由于摻氣空腔與摻氣管面積有關(guān)，為探求二者之間的關(guān)系，逐步增加跌坎內(nèi)側(cè)的摻氣管數(shù)量，計算溢洪道泄量為6 000 m3/s 下的不同摻氣管面積對應(yīng)的結(jié)果。

在摻氣坎內(nèi)側(cè)對稱設(shè)置2，4，6，8 個圓孔摻氣管，計算后提取泄槽2 個縱剖面：泄槽中間對稱面x=0+0.00 m，泄槽1/4 位置處的縱剖面x=0+12.50 m。對縱斷面的流態(tài)、速度以及摻氣形態(tài)進行分析?？v斷面的流態(tài)如圖2 所示。

根據(jù)上述4 種摻氣體型方案的計算結(jié)果可以得出，增加中部摻氣圓管會使泄槽中部的摻氣效果得到改善，但并非呈現(xiàn)中部摻氣圓管數(shù)量越多摻氣效果越好的規(guī)律。6 孔摻氣方案與8 孔摻氣方案的摻氣效果不相上下，均優(yōu)于4 孔摻氣方案和2 孔摻氣方案。

由于摻氣設(shè)置的摻氣效果與摻氣孔的面積有關(guān)，因此，取0/2/4/6/8 摻氣圓管方案的數(shù)據(jù)，分析這5 種摻氣體型下，摻氣濃度與摻氣孔面積之間的關(guān)系。由于泄槽寬度較大，部分工況摻氣空腔不穩(wěn)定，無法量化水流的摻氣效果，因此，采用摻氣濃度來反應(yīng)各工況運行情況下泄槽水流摻氣情況[4]。摻氣濃度取中間縱斷面，泄槽1/4 縱斷面和靠近邊墻的泄槽縱斷面的摻氣濃度平均值，通氣孔面積為單側(cè)向矩形通氣孔面積與單側(cè)泄槽中部圓形摻氣孔的面積之和。先做出散點圖，然后根據(jù)散點圖擬合出散點的冪函數(shù)關(guān)系曲線。

由上述分析可以得出：在跌坎內(nèi)側(cè)加入摻氣圓管后，摻氣效果明顯增強。摻氣濃度與摻氣面積成遞增關(guān)系，當(dāng)摻氣面積小于3.5 m2時，摻氣濃度受摻氣面積影響很大；當(dāng)摻氣面積大于3.5 m2時，摻氣面積增加，摻氣濃度小幅度增加，并且逐漸趨于平穩(wěn)。所以，當(dāng)泄槽中部的摻氣圓管達(dá)到一定數(shù)量和面積值時，泄槽的摻氣效果趨于穩(wěn)定。擬合出公式：

圖2 4 種方案水面線圖

式中：c為水流平均摻氣濃度值；A為單側(cè)摻氣孔面積，m2。

由上述分析可以得出，在一定范圍內(nèi)，泄槽的摻氣效果受到摻氣孔面積的制約，超出該范圍后，摻氣孔面積對摻氣效果的影響微弱。

4 結(jié)論

本文對超寬泄槽的摻氣影響因素進行研究，得出以下結(jié)論。

1）采用數(shù)值模擬方法對溢洪道泄槽局部摻氣設(shè)施進行模擬研究，可以較為客觀地反應(yīng)出泄槽內(nèi)水面流態(tài)以及摻氣坎附近的三維水力特性。

2）通過恒定流量下的4 種摻氣方案對比，可以得出：隨著摻氣孔數(shù)的增加，摻氣面積隨之增加，摻氣效果逐漸增強。

3）通過對超寬泄槽的不同摻氣結(jié)構(gòu)進行研究，超寬泄槽的中部位置摻氣效果不佳，在泄槽中部設(shè)置通氣管可以改善摻氣效果，通氣孔面積存在最優(yōu)值，通氣孔面積超過此最優(yōu)值時，水流的摻氣濃度區(qū)域穩(wěn)定，摻氣濃度值不會繼續(xù)增加。