泄洪洞掺气坎水力特性数值模拟研究

泄洪洞掺气坎水力特性数值模拟研究

在大型节水工程中，由于高流量大，排水建筑物的漏洞经常受到破坏。例如，混气减震是一种重要的防洪洪洞防空工程方法，在工程实践中得到了广泛应用。随着科学技术的发展，数值模拟法被广泛应用。张晓东基于k-iii的双方程模拟和基于气、水两相流的vof方法，模拟了垂直井的洪水变化复杂的水流运动。沙海飞采用了一种改进的网格模型，采用了多孔三维排水界面的模型，采用了多孔三维排水界面的模型。戴辉超采用了优化的网格模型和有限体积法，通过数值模拟解决了几种典型的高水位洪水流量模型，并对整体三维排水界面的数值模拟进行了改进。丁道阳在龙头排水洞中建立了新的辅助模型，这对提高排水洞的数值模拟有很大的意义。本文将k-ε紊流模型和VOF方法相结合,通过数值模拟研究长河坝1号泄洪洞掺气坎的水力特性.结合水工模型试验成果,对模拟结果进行验证,发现数值模拟成果与模型试验结果吻合良好.在此基础上,通过数值模拟分析提出了1号掺气坎的优化方案.1洞身高度、范围和设计方案长河坝1号泄洪洞由岸塔式短有压进口段、无压隧洞段和出口挑流鼻坎段组成.进口塔体尺寸49.0m×27.0m×52.0m(长×宽×高),工作闸门孔口尺寸14.0m×11.5m(宽×高),无压城门洞断面尺寸为14.0m×19m、14.0m×17.5m、14.0m×16m(宽×高)三种,洞身总长度1362.00m,出口20m长为明渠段,挑坎从“1泄1+382.00m”位置起挑,起挑点高程为1507.94m,隧洞纵坡为i=0.10279,最大泄量3692m3/s.泄洪洞洞身段设置6道掺气坎,掺气坎间距为150m,将1号坎设在桩号0+450m,其余5道坎分别位于0+600、0+750、0+900、0+1050、0+1200m,泄洪洞布置示意图如图1所示.原工程设计方案中1号掺气坎高度为0.8m,2~6号掺气坎高度为0.5m,挑坎下游平坡接陡坡,在掺气坎两侧布置通气孔,面积为1m×1.5m(高×宽),具体尺寸如图2所示.2数学模型2.1密度函数及紊流黏度系数本文采用k-ε模型对其进行模拟,控制方程如下:连续方程:动量方程:k方程:ε方程:式中:t为时间变量;ui为速度分量;xi为空间变量;ρ为体积分数平均密度;μ为分子黏性系数,μ=ρCμk2/ε;p为修正压力;μt为紊流黏性系数;G为紊动能产生项;紊流常数Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3,C1=1.44,C2=1.92.2.2设计组合控制方程VOF方法的原理是:定义函数αw(x,y,z,t)和αa(x,y,z,t)分别代表计算区域内水和气占计算单元体积分数.在每个单元中,水和气的体积分数和为1,即:αw+αa=1.αw的空间梯度表示自由水体表面外法线方向,αw的控制方程为式中:t为时间;ui为速度分量;xi为坐标分量.求解该连续方程即可跟踪水气分界面位置.2.3数值模型求解在模拟水利工程中的水流流场时,多采用速度进口边界条件和压力进口边界条件,进口处由流量算出断面平均流速u=22.73m/s.在k-ε紊流模型中,进口的紊动特征量k和ε的计算式为:k=0.0037u2,ε=k3/2/0.4L,其中L为紊流的特征长度,计算时用水力半径R来代替.本模型将洞身末端作为出口边界,采用自由出流(outflow)边界条件,出口压力值为一个大气压值.对近壁流,采用壁面函数模拟,壁面采用无滑移条件.本文采用点隐式高斯—塞德尔迭代方法对线性化的方程组进行求解.求解过程是先对一个变量在计算域中的每个控制体的离散方程求解,得出此变量在整个计算区域的值,然后再求解另一个变量,各个控制方程依次进行求解,即可得到压力、速度、水深等.3数值模拟结果的分析3.1计算结果与分析对象本文主要对设计水位(1690.00m)工况进行介绍.数值模型从桩号0+200m开始,下游挑坎起挑位置结束.1号泄洪洞计算区域总长度为1162m,高度为119.45m,宽度为14m.由于泄洪洞整体模型较大且为轴对称图形,为简化计算本数值模拟仅计算其一半区域,对称面位于桩号0+800m处,设为symmetry.为简化分析,模拟结果分析对象选取1~3号掺气坎.网格划分采用结构化网格划分方式,根据模拟区域特点的不同,网格尺度的变化范围0.3~0.8m.水流挑过掺气坎30m后流态较为稳定,因此在类似的位置内网格的间距较大,网格尺度0.8m.为精确显示水面线,在水气交界面网格较密.掺气挑坎和坎后30m区域水流流线弯曲较大,网格布置较密,网格尺度为0.3m.3.2部门内水流沿程变化梯度取水体体积分数0.65为水气交界面,以此模拟水面线.由图3可以看到,洞内水流平顺,左右对称,水面线沿程变化梯度较小,没有出现翻滚、爬高、窜顶等恶劣流态.在各道掺气坎的落水点后,水面线稍有抬升,但不形成水翅.3.3浮扩散和坎下排水,加标回水分析图4可发现,1号和2号坎由于水流弗汝德数较小,掺气竖井掺入水体中的气体在向下游移动的同时也上浮扩散,坎下积水,回溯水流较强,回水堵塞掺气竖井,空腔长度较小,影响水流掺气;2号坎的掺气竖井完全被回水堵塞,回溯水流强度大于1号坎;3号坎后能够形成稳定掺气空腔,坎上无回水,可形成清晰完整的掺气空腔,能有效掺气,且空腔长度比较接近,但都相对1~2号坎较大,3号坎回溯水流强度很小.4数值模拟结果的验证4.1调查模型及结果为验证数值模拟的合理性,可结合物理模型试验成果来分析.根据水流运动的相似原理和弗氏模型相似律进行模型设计,长河坝水工模型为正态模型,几何比尺λL=50.实例流态见图5,试验发现,1号泄洪洞在设计水位(1690m)下,1号坎、2号坎存在回水现象,回水间歇性堵塞掺气竖井,空腔长度较小,影响水流掺气.3号坎无回水,形成清晰完整的掺气空腔,能有效掺气.各掺气坎水力参数情况如表1所示.4.2水面线总体变化对比根据明渠恒定非均匀渐变流的基本方程,利用数值模拟中的流量和控制断面可以计算得到水面线.图6为模拟水面线和实测水面线的比较情况,模拟水面线总体变化均匀,模拟值和实测值吻合良好.4.3断面流速特征图7给出了沿程断面平均流速的模拟值和实测值.1号泄洪洞的断面平均流速大致分布为22~40m/s,从上游到下游流速沿程增大.总体上流速模拟值和实测值符合较好,流速分布变化均匀.4.4数值模拟验证本文对在设计水位下掺气坎中数值模拟和模型试验的部分水力参数进行了对比验证,结果如表2.对比数值模拟和模型试验发现,坎上断面平均流速、坎上水深、空腔长度、空腔负压值都比较接近,说明本文数值模拟结果是合理的.模型试验和数值模拟中都可以看到1号泄洪洞在设计水位下,1号坎、2号坎空腔长度较小,存在回水现象,回水间歇性堵塞掺气竖井;3号坎空腔长度较大,无回水,形成清晰完整的掺气空腔,能有效掺气.5原设计方案对比原工程设计中1~2号掺气坎存在回水堵塞现象,以1号坎为例,本文通过数值模拟确定其优化方案.原设计方案1号坎坎高为0.8m,研究表明坎高是影响其掺气效果的重要因素,一般提高坎高可采用增大掺气量的方法,本文拟比较坎高为0.9m和1.0m两种方案.1)优化方案一(连续坎,1号坎高0.9m),见图8所示.2)优化方案二(连续坎,1号坎高1.0m),见图9所示.3)最优方案由图9可以看到,优化方案一洞内水流平顺,无不利流态.观察图8(c)发现,1号、2号掺气坎均能够形成稳定掺气空腔,坎下基本没有回溯水流,原设计方案回水堵塞掺气竖井的现象消失.图9(b)、(c)说明优化方案二洞内水流平顺,无不利流态.对比图8(c)和图9(c),方案二中1号掺气坎后掺气空腔较优化方案一小,坎下回水较强,回水堵塞掺气竖井.原因是优化方案二较方案一加大了挑坎高度,导致挑射水舌落水点处流线与底板交角增大,产生较强的回溯水流,这证明挑坎高度并非越大越好.综上所述,优化方案一较方案二更优,因此确定优化方案一(坎高0.9m)为最终方案.6掺气坎坎冲积数值结果分析本文采用数模模拟的方法对长河坝水电站1号泄洪洞掺气坎水力特性进行了三维模拟,并分析了1号坎不同优化方案,得到如下结论:1)本文数值模拟采用紊流模型与VOF多相流模型相结合是成功的.通过数值模拟,分析了掺气水流流态及掺气坎水相分布情况,计算得到了掺气坎坎上平均流速、水深、空腔长度、空腔负压值等,结果与模型试验实测值吻合良好,这表明本文的数值模型可对掺气坎