洞頂余幅對(duì)泄洪洞內(nèi)空氣流動(dòng)特性影響研究

宋凱 陳朝旭 鄭雪玉

摘要：

洞頂余幅是影響泄洪洞需氣量的一個(gè)重要因素，但目前此方面的研究成果還較為匱乏。采用數(shù)值模擬的方法研究了不同水流條件下洞頂余幅對(duì)泄洪洞洞內(nèi)空氣流場(chǎng)分布、流速變化以及隧洞通風(fēng)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)洞頂余幅大于40%時(shí)，空氣流速斷面分布在降低至零之前，近似于指數(shù)變化形式，而當(dāng)洞頂余幅小于40%時(shí)，空氣流速接近于線性分布形式；斷面空氣流速分布形式同時(shí)受洞頂余幅條件與水流條件的影響，當(dāng)水流速度不變時(shí)，斷面平均流速的峰值位置均出現(xiàn)在洞頂余幅為30%～40%的范圍內(nèi)；洞頂余幅越大，進(jìn)氣口附近的氣流漩渦分布范圍越廣，同時(shí)，泄洪洞運(yùn)行時(shí)所需的空氣量也越大。

關(guān) 鍵 詞：

洞頂余幅； 空氣流速； 通風(fēng)量； 數(shù)值模擬； 流場(chǎng)分布； RM水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.021

0 引 言

在高壩工程中，泄洪放空設(shè)施的布置多為有壓隧洞接無(wú)壓明渠的形式，在高水頭大流量運(yùn)行條件下，明渠水流自由面迅速卷吸空氣進(jìn)入泄流水體，并帶動(dòng)泄洪洞中的空氣一同運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)行時(shí)，如果洞內(nèi)的空氣量過(guò)少，洞內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)較低的負(fù)壓，從而降低了水流空化數(shù)，增加空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)［1］，此外，洞內(nèi)風(fēng)速太大也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生極大的噪聲污染［2-3］。因此，如何向泄洪洞內(nèi)提供足夠的空氣來(lái)確保洞內(nèi)氣壓以及風(fēng)速處于安全范圍之內(nèi)就顯得極為重要［4］。研究發(fā)現(xiàn)，避免空化空蝕最有效的方法就是向高速水流內(nèi)部摻氣。因此，圍繞摻氣設(shè)施的研究較受關(guān)注，從早期的挑坎、跌坎、摻氣槽、側(cè)壁突擴(kuò)［5］等常規(guī)體型，到現(xiàn)在的“U型坎”［6］、“V型坎”［7］、“燕尾坎+貼坡”［8］以及楔形體摻氣坎［9］等，一定程度上解決了工程的摻氣問(wèn)題。而后，學(xué)者們逐漸將研究中心轉(zhuǎn)移到補(bǔ)氣系統(tǒng)上。王孝群［10］和Lian等［11］等針對(duì)錦屏一級(jí)泄洪洞，提出了補(bǔ)氣洞面積、長(zhǎng)度以及數(shù)量等影響因素的優(yōu)化措施；馬斌等［12］依托如美水電站泄洪洞補(bǔ)氣系統(tǒng)，建立了多條補(bǔ)氣洞聯(lián)合補(bǔ)氣的理論計(jì)算模型；蔣峰等［13］對(duì)通風(fēng)補(bǔ)氣設(shè)施局部體型條件下噪聲強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

不論是對(duì)摻氣坎體型或是補(bǔ)氣系統(tǒng)的研究，目前都取得了大量成果。洞頂余幅也是影響泄洪洞需氣量的一個(gè)重要因素，但是對(duì)洞頂余幅的研究卻很匱乏。Campbell和Guyton［14］是最早對(duì)洞頂余幅的氣流分布規(guī)律進(jìn)行研究的學(xué)者，他們認(rèn)為水面上方的空氣是在水流拖拽力的作用下沿順?biāo)鞣较蜻\(yùn)動(dòng)，并將水流表面處的空氣流速與水流表面流速視為相等。Salazar等［15］通過(guò)粒子有限元方法對(duì)孔口不同開(kāi)度時(shí)的水流特性進(jìn)行模擬，并分析水氣之間的相互影響規(guī)律，且結(jié)合原型觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。劉昉等［16］以錦屏一級(jí)水電站原型觀測(cè)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，認(rèn)為補(bǔ)氣洞進(jìn)氣量隨水流流量增大而增大，洞頂余幅會(huì)影響進(jìn)氣量，洞頂余幅越小，進(jìn)氣量相應(yīng)減小。本文采用數(shù)學(xué)模型研究泄洪洞洞頂余幅對(duì)泄洪洞內(nèi)空氣流動(dòng)特性的影響，以為工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全等提供參考。

2 模型驗(yàn)證

由于空氣流速的測(cè)量結(jié)果受模型縮尺效應(yīng)的影響很大，本文利用RM水電站放空洞的大比尺模型（比尺為1∶15）試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)模驗(yàn)證。

放空洞布置如圖2（a）所示，有壓洞段長(zhǎng)度為369.5 m，底板坡度i=0，洞身斷面型式為城門(mén)洞型，斷面尺寸為7.0 m×15.5 m，有壓洞段與無(wú)壓段由弧形閘室連接，閘門(mén)孔口尺寸為7 m×13 m。無(wú)壓洞段長(zhǎng)度為975 m，底板坡度i=4.73%，洞身斷面形式為城門(mén)洞型，斷面尺寸為11.0 m×15.0 m。

采用上文中相同的紊流模型建立此工程的數(shù)學(xué)模型如圖2（b）所示。模擬范圍包括庫(kù)區(qū)、有壓段及無(wú)壓段，對(duì)局部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密或稀疏處理，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)（分別控制最小網(wǎng)格尺寸為0.2，0.5，1.0，2.0 m，當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于0.5 m后，計(jì)算結(jié)果差異很小，考慮到計(jì)算速度和精度要求，選擇網(wǎng)格最小尺寸為0.5 m），總網(wǎng)格數(shù)量約為200萬(wàn)個(gè)。

為保證流速測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用畢托管測(cè)量水流流速。風(fēng)速選用熱敏風(fēng)速儀測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)多次測(cè)量風(fēng)速值，取其算術(shù)平均值再通過(guò)校正曲線校正，以確保得到的數(shù)值準(zhǔn)確可靠。在設(shè)計(jì)水位工況下，模型試驗(yàn)測(cè)量得到的無(wú)壓隧洞沿程流速變化范圍為23.06～ 33.58 m/s；數(shù)值計(jì)算得到的無(wú)壓隧洞沿程流速變化范圍為24.5～ 37.93 m/s，相對(duì)平均誤差值僅為6.0%，表明數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。取下游穩(wěn)定段某斷面，測(cè)量其水流流速及斷面風(fēng)速，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。氣流速度的相對(duì)誤差略大，實(shí)測(cè)值均比計(jì)算值要小，誤差平均值為12.0%，可認(rèn)為是縮尺效應(yīng)造成的，二者總體上吻合良好，證明計(jì)算方法可行。

3 洞頂余幅對(duì)空氣流場(chǎng)影響

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到泄洪洞明流段空氣流場(chǎng)分布如圖4所示。圖中顏色表示水相的體積分?jǐn)?shù)，紅色為1，藍(lán)色為0，中間色表示0～1之間的數(shù)。在泄洪洞進(jìn)氣口附近位置由于固壁邊界突變，從有壓水流變?yōu)闊o(wú)壓明渠水流，引起局部位置出現(xiàn)氣流漩渦，隨著空氣進(jìn)一步向下游流動(dòng)，漩渦逐漸消失。此外，洞頂余幅不同，相應(yīng)的旋渦大小也不同。圖5表示旋渦范圍（洞徑的倍數(shù)）隨洞頂余幅變化而變化的線性關(guān)系。當(dāng)洞頂余幅為70%時(shí)，氣流漩渦范圍最大，約為1.8倍洞徑，然而，當(dāng)洞頂余幅減小到20%時(shí)，氣流旋渦仍然存在。

4 洞頂余幅對(duì)斷面風(fēng)速分布特性影響

為研究洞頂余幅對(duì)斷面風(fēng)速分布的影響，統(tǒng)計(jì)在不同水流流速時(shí)穩(wěn)定段的斷面風(fēng)速大小，風(fēng)速分布見(jiàn)圖6。橫坐標(biāo)表示空氣流速大小（也即風(fēng)速），縱坐標(biāo)表示距離明渠底部的豎直高度，y=2.0 m表示水面。顯然，洞頂余幅越大，水面上方的空間就越大，其對(duì)應(yīng)的豎直高度也就越高。圖6（a）～（e）中的相同洞頂余幅對(duì)應(yīng)的曲線變化趨勢(shì)相同，表明當(dāng)進(jìn)口水流流速不同時(shí)，同一洞頂余幅內(nèi)斷面風(fēng)速變化規(guī)律基本一致。相同進(jìn)口水流流速時(shí)，空氣斷面流速分布形式在不同洞頂余幅條件下也存在顯著的差異，當(dāng)洞頂余幅大于40%時(shí)，空氣流速斷面分布在降低至零之前，近似呈指數(shù)分布形式，而當(dāng)洞頂余幅小于40%時(shí)，空氣流速斷面分布更接近于線性分布形式。當(dāng)洞頂余幅較大時(shí)，水流切應(yīng)力驅(qū)動(dòng)起主導(dǎo)作用，頂板的摩阻作用相對(duì)較弱，因此此時(shí)空氣流速分布趨向于指數(shù)分布形式，當(dāng)空氣流速梯度降低至頂板附近時(shí)，受固壁邊界的摩阻影響，流速陡然減小至約為零；而當(dāng)洞頂余幅較小時(shí)，由于本身洞內(nèi)空氣流動(dòng)空間減小，頂板的摩阻作用相對(duì)更為突出，對(duì)于流速分布的影響更為顯著，因此空氣流速分布逐漸趨向于線性分布形式，同時(shí)這種洞頂余幅情況下，水流速度越小，水面對(duì)于空氣的驅(qū)動(dòng)作用相對(duì)越弱，頂板對(duì)于空氣流速分布形式的影響越突出，這就解釋了低洞頂余幅條件下低水流速度分布形式與高水流速度分布形式的差異性。

對(duì)自由面以上空氣流速進(jìn)行無(wú)量綱處理，如圖6（f）所示，縱坐標(biāo)代表水面以上空氣流場(chǎng)相對(duì)位置，其中，y代表距離水面的高度，hr代表洞頂余幅高度，則y/hr=0代表水流自由表面位置，y/hr=1代表頂板位置，橫坐標(biāo)為空氣流動(dòng)速度（也即風(fēng)速）。由圖6可知，當(dāng)洞頂余幅為40%及以上（50%、60%、70%）時(shí)，洞內(nèi)水面上方空氣斷面高度相對(duì)較高，沿高程方向空氣流速衰減規(guī)律基本保持一致，呈指數(shù)型變化形式；當(dāng)洞頂余幅為20%和30%時(shí)，空氣斷面高度相對(duì)較小，沿高程方向衰減規(guī)律可以看做是呈線性變化。綜上分析，斷面空氣流速的分布形式受到洞頂余幅的約束。

通過(guò)對(duì)明流泄洪洞中自由面以上空氣流速斷面分布進(jìn)行積分，可以得到泄洪洞內(nèi)平均風(fēng)速，各種計(jì)算工況中洞頂余幅與平均風(fēng)速之間的關(guān)系如圖7所示：當(dāng)水流速度一定時(shí)，隨著洞頂余幅由20%增加至70%，洞內(nèi)平均風(fēng)速均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)隨著進(jìn)口水流速度由10 m/s增加至40 m/s變化更為明顯，即進(jìn)口水流速度越大，不同洞頂余幅時(shí)對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速變化越大；當(dāng)進(jìn)口水流速度不變時(shí)，不同洞頂余幅工況下，斷面平均流速的峰值位置均出現(xiàn)在洞頂余幅為30%～40%的范圍內(nèi)；各種工況下的洞內(nèi)空氣平均流速均小于水流速度，這是由于受到壁面摩擦力作用的影響。

當(dāng)洞頂余幅不變時(shí)，水流速度的增大對(duì)空氣平均流速的增大幅度影響不顯著，如圖8所示。隨著洞頂余幅由20%增大至70%，平均風(fēng)速/水流速度平均值依次為0.54，0.60，0.66，0.64，0.54，0.46，整體呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，如圖9所示，峰值位置出現(xiàn)在洞頂余幅為40%時(shí)。

分析認(rèn)為空氣平均流速主要受兩個(gè)因素的影響：① 水流速度（驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度）；② 洞頂余幅（斷面分布形式）。從上一節(jié)空氣流速斷面分布可知，隨著洞頂余幅由20%逐漸增大至70%，空氣流速分布由近似線性分布逐漸轉(zhuǎn)換為近似指數(shù)分布，因此相同水流速度條件下必然存在一個(gè)最大值（由于風(fēng)速分布形式的差異），從數(shù)值計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)洞頂余幅為40%時(shí)，分布形式對(duì)于空氣平均流速影響最為顯著。

5 洞頂余幅對(duì)通風(fēng)量影響

通過(guò)對(duì)明流泄洪洞中自由面以上空氣流速與洞頂余幅面積分布進(jìn)行積分，可以得到泄洪洞內(nèi)自由面以上通風(fēng)量，根據(jù)泄洪洞明流段通風(fēng)量沿程變化計(jì)算結(jié)果，對(duì)同一流速在不同洞頂余幅工況下的沿程通風(fēng)量進(jìn)行分析計(jì)算。

統(tǒng)一采用20～30倍洞徑范圍的通風(fēng)量平均值作為水流穩(wěn)定段通風(fēng)量，進(jìn)行分析對(duì)比。統(tǒng)計(jì)各種不同工況在明流段20～30倍洞徑的空氣量平均值，看作明流泄洪洞的補(bǔ)氣量，各種計(jì)算工況中水流速度與通風(fēng)量之間的關(guān)系如圖10所示。隨著洞頂余幅的增大，明流泄洪洞中水流表面以上的通風(fēng)量呈倍數(shù)增加；當(dāng)明流泄洪洞洞頂余幅不變，進(jìn)口水流流速越大泄洪洞運(yùn)行所需空氣量也越大。同時(shí)可以看出水流速度的增大加劇了洞頂余幅對(duì)于通風(fēng)量增大的影響，當(dāng)水流速度由10 m/s增大至40 m/s時(shí)，洞頂余幅影響下的通風(fēng)量/洞頂余幅變化梯度由151.68增長(zhǎng)至613.12，這說(shuō)明明流段自由面以上通風(fēng)量同時(shí)受到水流驅(qū)動(dòng)作用和洞頂余幅的共同影響。

6 結(jié) 論

（1） 進(jìn)氣口附近氣流旋渦始終存在，并且旋渦尺寸隨著洞頂余幅的增大而增大。洞頂余幅由20%增大到70%，對(duì)應(yīng)的氣流旋渦直徑由0.2增大到1.8倍洞徑。

（2） 相同進(jìn)口水流流速時(shí)，空氣斷面流速分布形式在不同洞頂余幅條件下也存在顯著的差異，當(dāng)洞頂余幅大于40%時(shí)，空氣流速斷面分布在降低至零之前，近似呈指數(shù)分布形式，而當(dāng)洞頂余幅小于40%時(shí)，空氣流速斷面分布更接近于線性分布形式。

（3） 當(dāng)洞頂余幅小于30%、水流流速不變的情況下，洞內(nèi)最大空氣流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水流流速，對(duì)工程降噪十分不利。

（4） 當(dāng)水流速度一定時(shí)，隨著洞頂余幅由20%增加至70%，洞內(nèi)平均風(fēng)速均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而且進(jìn)口水流速度越大，對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速變化越大。此外，當(dāng)進(jìn)口水流速度不變時(shí)，斷面平均流速的峰值位置均出現(xiàn)在洞頂余幅為30%～40%的范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 倪漢根.水工建筑物的空化與空蝕［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2011.

［2］ 高季章，郭軍.關(guān)于面板壩設(shè)置放空洞的若干問(wèn)題［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2013，32（5）：179-183.

［3］ 張法星，阿蓉，鄧軍，等.基于CFD的糯扎渡水電站右岸通風(fēng)系統(tǒng)流動(dòng)特性研究［Ｃ］∥中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十六屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集，天津，2014.

［4］ 龐博慧，王孝群，張陸陳，等.高壩泄洪消能若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究［C］∥國(guó)際碾壓混凝土壩技術(shù)新進(jìn)展與水庫(kù)大壩高質(zhì)量建設(shè)管理—中國(guó)大壩工程學(xué)會(huì)2019學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，北京：中國(guó)三峽出版社，2019.

［5］ 高昂.摻氣減蝕技術(shù)及摻氣設(shè)施研究進(jìn)展［J］.水利水電科技進(jìn)展，2019，39（2）：86-94.

［6］ 漆力健，廖華勝，李貴吉，等.低佛勞德數(shù)摻氣坎空腔回水問(wèn)題研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，38（7）：819-825.

［7］ 王海云，戴光清，楊慶，等.V 型摻氣坎在龍?zhí)ь^式泄洪洞中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（11）：1371-1374.

［8］ 吳時(shí)強(qiáng)，王芳芳，王威，等.一種“燕尾坎+貼坡”摻氣方法及結(jié)構(gòu)：105220662A［P］.2016-01-06.

［9］ 夏鵬飛.有壓出口接小底坡明渠新型摻氣減蝕設(shè)施研究［D］.成都：四川大學(xué)，2015.

［10］ 王孝群.高水頭長(zhǎng)泄洪洞水氣二相流數(shù)值模擬與通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)優(yōu)化研究［D］.天津：天津大學(xué)，2019.

［11］ LIAN J J，WANG X Q，LIU D M.Air demand prediction and air duct design optimization method for spillway tunnel［J］.Journal of Hydraulic Research，2021（3）：11-23.

［12］ 馬斌，魏建根，王孝群，等.多洞聯(lián)合泄洪通風(fēng)補(bǔ)氣系統(tǒng)運(yùn)行特性［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2022，33（2）：115-123.

［13］ 蔣峰.明流泄洪隧洞通風(fēng)補(bǔ)氣特性研究［D］.成都：四川大學(xué)，2019.

［14］ CAMPBELL F B，GUYTON B.Air demand in gated outlet works［C］∥Proceedings of Minnesota International Hydraulic Convention，ASCE，1953：529-533.

［15］ SALAZAR F，SAN-MAUROJ，CELIGUETA M ，et al.Air demond estimation in bottom outlets with the particle finite element method：Susqieda Dam case study［J］.Computational Particle Mechanics，2017，4（3）：345-356.

［16］ 劉昉，王孝群.徐立洲.基于原型觀測(cè)的高水頭泄洪洞通氣特性研究［J］.人民長(zhǎng)江，2017，48（2）：55-58.

（編輯：胡旭東）

Influence of tunnel top remaining width on air flow characteristics in spillway tunnels

SONG Kai1，2，CHEN Zhaoxu1，2，ZHENG Xueyu3

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.National Research Center for Dam Safety Engineering Technology，Wuhan 430010，China； 3.PowerChina Guiyang Engineering Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China）

Abstract：

The remaining width at a tunnel top is an important factor affecting the air demand of spillway tunnels，but the research results in this field are still scarce.In this paper，numerical simulation method was used to study the influence of remaining width of tunnel top on distribution of air flow field，changing of flow rate and ventilation volume in spillway tunnel under different flow conditions.The following conclusions were drawn：when the remaining width at the tunnel top was more than 40%，the cross-section distribution of air flow velocity was approximate to the exponential change form before it was reduced to 0.When the remaining width at the tunnel top was less than 40%，the air velocity appeared to be close to the linear distribution form.The distribution form of air velocity in the section was affected by both remaining width condition and flow condition at the tunnel top.When the flow rate remained unchanged，the peak position of the average flow velocity in the section occurred within the remaining width of 30% ～ 40% at the tunnel top.The larger the remaining width at the tunnel top，the wider distribution of air flow vortex near the intake port，also the larger the air volume required for the operation of the spillway tunnel.

Key words：

remaining width at tunnel top；air velocity；ventilation volume；numerical simulation；flow field distribution；RM Hydropower Station