高水头大流量泄水管线水力特性研究

高水头大流量泄水管线水力特性研究

西洛渡水电站具有狭窄的河谷、高拱水库和大排放的特点。洪水消耗能是该项目布局的控制因素之一。枢纽泄洪采取分散泄洪、分区消能,由坝身孔口和两岸泄洪隧洞共同承担。结合枢纽布置,5条泄洪隧洞分左、右岸布置,均采用有压接无压泄洪弯洞布置。由进水口、有压洞段、地下工作闸门室、无压洞段(由直坡段、抛物线段、斜坡段和反弧曲线段组成)、龙落尾段和出口挑坎等组成。无压洞段始于弧形闸门工作室后,单洞最大泄洪量4000m3/s,上下游最大水头高达200m。采用上述方式将压力隧洞和工作闸门布置于较高位置,可使有压隧洞压差较小,工作闸门处流速<25m/s,压力流平顺向明流转换。由于一些大型泄洪隧洞易产生严重的空蚀破坏,常引发严重的后果,国内外对此研究较多。近年来,随着计算机技术的迅速发展、紊流数学模型理论的广泛应用和计算方法的不断完善,数值模拟已成为研究水力学问题的一条重要途径。鉴此,本文采用VOF法和k-ε紊流模型对金沙江溪洛渡水电站高水头、大流量泄洪隧洞水力特性进行数值模拟,获得了泄洪洞内水流的流动过程和水力参数,并分析了对泄洪安全的影响。结果表明,该方法有效可行,供借鉴。1数学模型1.1微分方程积分连续方程、动量方程、k方程、ε方程详见文献,采用有限容积法对偏微分方程进行积分,对流、扩散项采用二阶向后全隐格式离散、时间项采用一阶向后差分格式离散。压力—速度耦合求解采用SIMPLER算法,线性化的方程组求解采用点隐式Gauss-Seidel迭代法。1.2溪洛渡5座第4座方案4图1为溪洛渡水电站#3泄洪隧洞设计体型及计算网格图。数学模型计算域包括整个溪洛渡水电站#3泄洪隧洞,范围从桩号0-075.00m至挑坎出口,全长约1600m。采用四面体与六面体进行网格剖分,在掺气空腔附近网格尺度沿垂向约为0.1m、横向1.0m、纵向2～5m。共剖分单元数约40×104个。1.3边境条件处理(1)q相流体的容积分数高速泄流常卷入大量空气,形成水—气二相流,即掺气水流,采用VOF法追踪水气界面。在控制体内对第q相流体的容积分数规定为:αq=0时控制体内无q相流体;αq=1时控制体内充满q相流体;0<αq<1时控制体内充满部分q相流体;对所有流体相的容积分数总和为1,即∑αq=1。水的体积分数的控制微分方程为:∂αq∂t+ui∂αq∂xi=0(1)∂αq∂t+ui∂αq∂xi=0(1)求解该连续方程可跟踪水气界面。(2)输入和输出条件均为压力边界条件,进口为库区静水压力分布,出口为大气压力。(3)固壁条件固体壁面采用无滑移边界条件,近壁粘性底采用壁函数法,壁糙率取0.015。1.4数模验证(1)流状态图2为校核流量从开闸至最后稳定的泄洪过程。由图可知,采用VOF法的非恒定数值模拟可真实反映水流的实际流动。(2)水面图3为中闸室后无压隧洞沿程水面线。由图3(b)可知,实验实测水面线与计算水面线基本吻合。(3)水深图4为扭曲挑坎上的水相分布。由图可见,扭曲挑坎出口水深分布均匀。表1为数值模拟和试验测得的扭曲挑坎出口水深。由表可知,两者吻合良好。2结果与分析2.1设计流量比校核数值模拟计算求得校核水位时(P=0.01%)流量为4079m3/s,比校核流量小1.19%;设计水位时的流量为3794m3/s,比设计流量小1.7%。两种工况#3隧洞的流量系数分别为0.730、0.731。结果表明,泄洪洞的泄流能力设计合理。2.2形态分析结果图5为有压洞段在转弯处的断面流速分布(自下游向上游看)。由图可见,转弯前,整个断面流速分布均匀,最大流速约达26m/s;由于离心力作用,转弯段后隧洞右侧的流速较大,转弯后至有压段出口,断面流速调整较快,到有压段末时,右侧流速仅比左侧大2～4m/s。由图可知,受转弯影响右侧流速略大的现象一直延伸至龙落尾前。从各断面的水相分布看,无压段的较长范围内左右侧流速虽存在差异,但水面受此影响不明显,左右侧水面高程基本一致。图6为泄洪隧洞中纵剖面流速分布。由图可见,流速沿程增加。受水流卷吸,在水气交界面处空气流速较大,而洞顶区域流速则相对较小。掺气挑坎处空气旋流明显。洞顶余幅为泄洪隧洞无压段安全泄洪的一个重要指标。中闸室后上平段泄洪隧洞的最小高度余幅为19.58%,相应面积余幅为12.92%,下平段(#2掺气坎以后)的高度余幅约为45%～55%,相应面积余幅约为40%～50%。洞顶余幅满足泄洪安全。2.3校核流量分析校核工况下泄洪隧洞有压转弯段同断面弯道内外侧洞壁压力差最大值为3.95×9.81kPa。有压转弯段末端断面弯道内外侧洞壁压力差仅为0.26×9.81kPa,洞壁压力调整良好,表明转弯段采用的转弯半径合适。图7为校核流量下的泄洪隧洞无压段压力分布,在#1掺气坎小挑坎起坎处、反弧段、扭曲挑坎出口起坡处及#1、#2、#3掺气坎水流重新附壁处的局部压力相对较大,该部位的结构强度需加强。#1掺气空腔内的最小压力为-0.26m水柱。校核水位情况下,无压段沿程空化数分布见图8。由图可看出,因龙落尾段的水流流速高,空化数减少较显著,最小值仅0.045,故龙落尾段的空化空蚀应高度重视。需对其进行体型优化,将奥奇段体型“变胖”和调整掺气坎的布置,有助于改善龙落尾段空蚀空化特性。2.4掺气坎掺气坎图9为计算稳定后的空腔形态,表2为校核水位各级掺气坎掺气空腔长度、高度及通风量。由图、表可知,第二、三级掺气坎的掺气空腔长度和高度均偏小,掺气坎两侧通风竖井的风速亦偏大,掺气坎需优化。3水力学模拟结果主要结果与分析基于薄弱单采用