高拱坝深孔消能工水力特性研究

高拱坝深孔消能工水力特性研究

1窄缝消能工在高拱坝坝身消能工的应用前景展望随着我国水电行业的快速发展，各种新型消能工已在实际工程中广泛使用。有许多技术实例，如在狭窄的缺口上开采和消能工，或将消能工与其他形式结合使用。窄缝挑坎消能工主要作用是利用侧墙的收缩使两侧水流向水股中心运动,从而改变了水流质点间的相互作用和水流结构,加剧了水流的紊动,并且使水舌在纵向拉伸,减小其进入下游水垫时的有效单宽流量,从而提高消能效果。同时,窄缝挑坎消能工还可以运用于一些河道狭窄的地段,从而避免了采用常规挑坎消能时,平面扩散水舌面积过大,冲击岸坡的情形。研究分析认为,窄缝挑坎消能工总消耗能量主要由紊动消能、掺气与空气阻力消能及水垫消能等几部分组成。本文研究的深孔窄缝指的是高拱坝中深孔采用窄缝消能工的结构形式,一般运用于表孔宽尾墩-深孔窄缝消能工的情况。到目前为止,对窄缝消能工的研究已经取得了较多成果,对其体型参数,消能特性以及对下游河床的冲刷情况都作了详细的研究,并在许多实际工程中得到运用。但是对于窄缝消能工在200m以上高拱坝坝身泄洪的研究则相对较晚,有关高拱坝中窄缝消能工的研究成果相对较少。窄缝消能工在高拱坝中的运用主要是表孔宽尾墩-深孔窄缝联合消能工,下游设置水垫塘的布置形式。表孔宽尾墩-深孔窄缝联合消能工又可以分两种情形:表孔-深孔碰撞泄洪消能和表孔-深孔无碰撞泄洪消能。前者最早在二滩水电站(240m)坝身泄洪中得到了运用,并为即将修建的其它水电站提供了参考的依据,如小湾(292m)、溪洛度(278m)、锦屏一级(305m)。其主要特点是:表孔大差动,深孔挑流,使下泄水舌纵向分层拉开,水流在空中碰撞消能,余能通过水垫塘进行消杀,使水流与下游河道平稳衔接。其主要缺点就是:水舌空中碰撞使泄洪雾化大大增强,造成局部区域非自然性降水增强,对下游边坡的稳定造成影响,甚至会危及整个坝体的安全。高拱坝表深孔水流无碰撞消能,则可很好地避免上述问题,坝身各层泄洪孔交错布置,坝身表孔采用宽尾墩,深孔采用窄缝消能工,使各股水流横向收缩,纵向扩散,从而实现表深孔水舌的穿插下落。近年来随着计算机科学的不断发展,数值模拟技术在水利工程中得到了广泛的应用,运用数值模拟技术来研究窄缝消能工各种水力特性的报告也越来越多。李乃稳等采用k-ε双方程紊流模型对宽尾墩应用在高拱坝坝身泄洪表孔时的水流特性进行了三维数值模拟,给出了表孔流道的水面线、压力、流场等水流特性。沙海飞,周辉等采用基于VOF方法的水气两相流二维紊流数值模型对坝身表孔泄洪进行了计算模拟,得到了坝面压力,水舌入水点等水力特性。焦爱萍等对单股窄薄片状射流入射水垫塘的非定常流场进行了三维数值模拟,分析了单股窄薄片状射流进入水垫塘后的水流结构与消能机理。沙海飞等对中孔窄缝消能工的出流进行了三维紊流数值模拟,给出了侧墙压力分布、流场、挑流水面线等水流特性。各论文中的数值模拟与模型试验值吻合良好,验证了数值模拟方法在模拟窄缝消能工水力特性的可行性。本文通过对计算区域的合理控制及对网格的合理划分,成功实现了利用数值模拟方法揭示水流在窄缝收缩段、空中抛射和下游水垫塘内整个过程区域的水力特性,并通过物理模型试验验证了数值模拟计算结果的合理性。2数学模型2.1在气动分层两相流模型中增加系统参数设置本文采用的是基于VOF方法的水气两相流的标准k-ε双方程紊流模型,该紊流模型对雷诺应力各分量采用各向同性假设,对于各向异性较强的螺旋水流的模拟不如雷诺应力模型精确,但较之雷诺应力模型所求解的方程数目少,收敛速度快,与试验测量结果吻合良好。对于不可压非定常流,标准k-ε紊流模型的连续方程、动量方程和k、ε方程分别为如下。连续方程:式中:ρ和μ分别为体积分数平均的密度和分子黏性系数;g为重力加速度;p为修正压力;μt为紊流黏性系数,它可由紊动能k和紊动耗散率ε求出:式中:σk和σε分别是k和ε的紊流普朗特数,C1ε和C2ε为ε方程常数,各常数值如表1所示,G为由平均流速梯度引起的紊动能产生项,它可以由下式定义:引入水气分层两相流的VOF方法后,在控制体内对第q相流体的容积分数规定为:αq=0表示控制体内无q相流体;αq=1表示控制体内充满q相流体;0<αq<1表示控制体内,部分q相流体,对所有流体的容积分数总和为1,即:∑αq=1。在水气分层两相流中,αw为水的体积分数,αa为气的体积分数,αw+αa=1,ρ和μ就是体积分数的函数,而不是一个常数。它们可由下式表示:式中:ρw和ρa分别是水和气的密度;μw和μa分别是水和气的分子黏性系数,通过对水的体积分数αw的迭代求解。2.2流力场网格划分数值计算中,为了减小人工耗散,网格划分的基本原则是网格方向尽量和水流方向一致。因此,在窄缝收缩段采用近似于平行水流方向的结构化网格,过流区域网格较密,非过流区域网格较稀,局部网格划分如图2所示。在已知流量的情况下,计算区域进口给定流速边界条件,空中挑射段给定压力进口,压力为标准大气压,出口采用压力出口边界条件。壁面采用无滑移边界条件,对黏性底层采用壁面函数法处理,采用进出口流量平衡来控制计算时间,两者误差不超过1%作为计算恒定的判别条件。3模型计算与试验结果的分析3.1水力参数实测结果本文通过数值模拟基本上捕捉到水流从窄缝收缩段到水垫塘整个空间内的水面线分布。收缩窄缝的作用是使得水流在纵向拉伸,横向收缩,从而形成片状水流。在模型试验中可以看到:单片水舌在出收缩窄缝后,由于在下降过程中受到的空气阻力不同,水舌在运动一段时间后,会因其内部的流速不同,在克服了水体自身的黏滞力后发生分离的现象。同时水舌入射到水垫塘时,水流强烈掺气,水垫塘内单位体积内气体所占的比例急骤上升,由于VOF法不能给出水气混合时的水面线具体分布情况。因此,数值模拟的空中射流水舌末端及水垫塘内水体的连续性会受到影响,如图3所示。表2给出了空中射流水舌参数实测和数值模拟值的比较结果。从表2可知:就空中射流水舌的主要水力参数而言,数值模拟结果与模型试验实测结果吻合较好,说明本文所选计算控制区域及网格划分是可行的。水力参数误差较大主要原因有以下几点:(1)试验中水舌自身不断波动,水舌内外缘水团散裂程度高,加大了测量的难度;(2)数学模型本身存在一定的误差,特别是利用VOF法计算水体散裂程度高的情况;(3)数值模拟中网格划分细密程度对计算结果也会有一定的影响等。由图4可知:水流出有压段后,由于两侧边壁突扩,水流脱离壁面,在经过一段距离的调整以及受两侧边墙收缩的影响,使得水流重新附壁。而中心线处水体受边壁的影响较小,上、下缘水面线沿程变化不大,基本上呈直线状态。3.2底板动水压力压力分布特性是研究水工建筑物水力特性的一个重要参数,是关系到水利枢纽能否安全运行的决定性因素。由于收缩窄缝的影响,使得窄缝收缩段的水面线抬升的同时,壁面压力也随之增大。因此,在设计和修建此类建筑物时,应提高相应的设计要求和施工要求,确保其安全运行,同时,在采用了窄缝消能工后,可以明显减小下泄水流对水垫塘底板的冲击作用。图5显示:由于收缩窄缝的影响,在收缩段两侧边墙将出现一个压力峰值,压力水头达到25m左右。图6展示了水垫塘底板中线动水压力沿程分布,结果表明:数值模拟结果与试验测量值吻合较好,二者之间存在误差主要由数值模拟中网格达不到足够细密及数学模型本身的误差造成。图7展示了整个水垫塘底板动水压力分布的数值模拟与模型试验测量结果,结果表明:采用窄缝消能工能够使得水流纵向拉伸,横向收缩,从而大大减弱了水垫塘底板单位面积上所受到的冲击压力,从流量的分布上看:泄洪洞单孔流量约为922m3/s,由表2可知水舌纵向拉伸长度约为101m,单宽流量仅为9m3/s(沿水舌方向),虽然水舌的下泄流速高,但流量小,所以对水垫塘底板的冲击作用小,实测最大冲击压力水头仅为2.9m,对节省工程投资成本和确保水垫塘的安全运行起到了积极的作用。3.3空间分布在物理模型试验中可以实现对空中挑射段水舌运动轨迹的测量,但是,对空中挑射段及水垫塘内流速分布的认识只能借助于数值计算和理论分析的方法来获得。图8展示了空中射流水舌入水垫塘的流速分布情况,从图中可以看出:由于受重力影响的作用,水舌下泄的流速不断增大,水体射入水垫塘的速度达到65.0m/s。图9展示了下泄水体入射到水垫塘内的流速及流线分布,图中可以看出:虽然下泄水体进入水垫塘的流速很高,但其流速在水垫塘内衰减迅速,下泄水体通过水体之间的相互摩擦、混掺、旋转及强剪切作用使水体的动能转化为水体的热能,从而减轻对水垫塘底板的冲击及下游岸边的冲刷。4水舌内、充放电速度的计算根据质点抛射体轨迹理论及速度分解定理,水流质点离开边墙后作抛物运动,其速度可以分解为水平分速度vjh/(m/s)和垂向分速度vjv/(m/s),不考虑空气阻力的影响,水流质点在运动过程中仅受重力作用。其运动示意图如图10所示。如图10建立坐标系可得:式中:v0为水质点的初速度,v0=32.5m/s;α为水质点的初速度与水平面的夹角;t为水舌质点从原点O运动到任意点A的时间。由式(8)可得水质点空中运动轨迹方程为:由式(9)可得:理论上,式(12)—(14)可以算出任意形式的出射水流在空间的运动轨迹。假设H/m为水质点从射流出口断面到下游水垫塘水面的垂直距离,L/m为水舌与下游水垫塘水面交点与点O的水平距离,h/m为射流出口断面的水深,h=7.5m,则水舌外缘跳距计算:y=h+H,L=L1;水舌内缘跳距计算:y=H,L=L2;本文中属于挑流,根据坐标的选取情况可知:α<0。由式(12)—(13)可以看出,只要v0和α的大小确定,即可准确计算出任意高程处挑流水舌内、外缘水平抛距。在算出内、外缘水平挑距的情况下,式(9)对x求导得:则内、外缘入水角βi(i=1,2)表示为:值得注意的是:利用式(16)求解内、外缘入水角时,应该考虑α的正负性。当α<0时,求得β1;当α>0,求得β2,β1代表外缘入水角,β2代表内缘入水角。由于忽略了空气阻力,利用能量守恒可以得出内外缘射入水垫塘的入射速度外缘速度:内缘速度:表3为空中射流水舌参数的理论计算和实测值的比较,由表中可知:内外缘理论计算流速的平均值为65.9m/s,水体射入水垫塘流速的模拟值为65.0m/s,理论计算值与数值模拟结果基本一致。从已有的模型试验结果来看,理论计算值和模型试验值吻合良好,个别测量数据误差主要由于物理模型试验中下泄水流流速大,水舌存在较大的波动,加之,水舌内外缘水团散裂程度高,影响了测量结果的精确性。总体上讲,在合理假设的条件下,可以通过理论公式得到下泄水舌在空中的运动轨迹及入射到水垫塘的内外缘入射角和入射速度,从而弥补了无法在模型试验中测量入射流速的不足。5数值结果分析通过对高拱坝深孔窄缝泄洪洞相关水力要素的数值模拟和试验研究,利用抛射体理论对水体射入水垫塘的运动轨迹、入射角及入射流进行分析,主要得出以下结论:(1)合理选取计算控制区域及划分网格能够实现对水流在窄缝收缩段、空中射流水舌