高拱坝斜窄缝挑坎应用的水流特性研究

高拱坝斜窄缝挑坎应用的水流特性研究

0窄缝挑坎的水力特性窄缝和高帮是一种收缩的消能工具。其特点是出口收缩，出口断面与水平面垂直，底部水平或呈拱形，并限制舌头底部。一般来说，用于排水孔和溢流道的末端。然而，很少有设计和研究高拱水库的漏水孔和深孔，因此研究高拱水库的漏水孔和深孔不足。中国仅有乌江-诺丁水库的中孔（水库高度为162米），高拱水库的高度超过200米。李乃稳,许唯临等在锦屏一级水电站(坝高305米)整体模型上将出口断面呈倾斜状的一种倾斜窄缝挑坎应用于深孔并结合表孔宽尾墩,实现了高拱坝表深孔水流空中无碰撞消能的目的。对于窄缝收缩式消能工而言,其水流因两侧边墙的横向收缩而形成急流冲击波,具有明显的三维特性。关于窄缝收缩消能工的水力特性研究,目前往往是通过模型试验来进行,数值模拟还较少。李桂芬、刘清朝等将收缩式消能工内三维水流简化为二维水流,在渠道水流压力按静水压力分布的条件下,推导了宽尾墩及窄缝消能工内水力计算的数值解法,得出了较好的结果,但由于将三维问题简化为二维问题、渠道水流压力静水压力分布假设及未考虑出口处水流的掺气,因而计算值较试验值偏小,并且无法获得孔内垂线上水流速度分布。对于窄缝边墙压力的计算,则往往采用理论推导再适当假设而后简化的方式,公式的系数则试验确定,因而由此得到的计算公式的应用性受到一定的限制,普适性不强。由于窄缝挑坎内水流具有明显的三维特性,因而采用适当的三维紊流数学模型对其进行三维数值模拟计算则更能准确反映窄缝收缩段内的水力特性。本文采用k-ε双方程紊流模型并结合自由面追踪的VOF方法对斜窄缝收缩式消能工应用于高拱坝深孔的水流特性进行了三维数值模拟,得到了边墙冲击区水流流态及压力分布、挑坎射流流态、流场分布等水流特性,并将边墙冲击区水面线及压力计算值同试验值进行了比较。1边墙冲击区水面线、压力分布为了验证数值模拟结果的准确性,首先在锦屏一级水电站1:100整体模型上对窄缝挑坎应用于高拱坝深孔进行了试验研究(库水位1880.00m),测量其边墙冲击区水面线、压力分布。本研究中窄缝挑坎体型不同与一般窄缝挑坎体型,具体表现在如下方面:1)为防止水舌对深孔弧形闸门支跤造成冲刷,窄缝挑坎布置在其闸门支跤的后方的深孔边墙突扩延伸段上;2)窄缝挑坎出口为倾斜出口,其水平夹角为52°;3)挑坎底部采用大坡度底板,坡度为45°,尽量避免其对水舌的约束。具体窄缝挑坎体型设计见图1。同时为了比较分析,还对相同工况深孔常规挑坎体型进行了三维数值模拟计算。2数学模型2.1自由面追踪模型连续方程:∂ρ∂t+∂ρui∂xi=0(1)∂ρ∂t+∂ρui∂xi=0(1)动量方程:∂ρui∂t+∂∂xj(ρuiuj)=-∂p∂xi+∂∂xj[(μ+μt)(∂ui∂xj+∂uj∂xi)]+ρgi(2)∂ρui∂t+∂∂xj(ρuiuj)=−∂p∂xi+∂∂xj[(μ+μt)(∂ui∂xj+∂uj∂xi)]+ρgi(2)k方程:∂(ρk)∂t+∂(ρuik)∂xi=∂∂xi[(μ+μtσk)∂k∂xi]+G-ρε(3)∂(ρk)∂t+∂(ρuik)∂xi=∂∂xi[(μ+μtσk)∂k∂xi]+G−ρε(3)ε方程:∂(ρε)∂t+∂(ρuiε)∂xi=∂∂xi[(μ+μtσε)∂ε∂xi]+C1εεkG-C2ερε2k(4)式中:ui为xi方向的速度分量,i,j=1,2,3;ρ为体积分数加权平均的密度;p为修正压力;μ为体积分数加权平均的分子黏性系数;μt为紊流黏性系数,它可由紊动能k和紊动耗散率ε求出,公式为:μt=ρCμk2ε;G为平均速度梯度引起的紊动能产生项,它可由下式定义:G=μt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xj;Cμ为经验系数,σk和σε分别为k和ε的紊流普朗特数,C1ε和C2ε为ε方程中的常数,各常数在标准k-ε紊流模型中取值如表1。自由面追踪采用目前应用较多的VOF方法,即ρ和μ是体积分数的函数,而不是常数,它们可由下式表示:ρ=αwρw+(1-αw)ρa(5)μ=αwμw+(1-αw)μa(6)式中:αw为水的体积分数,ρw和ρa分别为水和气的密度,μw和μa分别为水和气的分子黏性系数。通过对水的体积分数进行积分迭代求解,ρ和μ可由上两式求取。采用有限体积法进行方程离散,速度压力耦合采用PISO算法。2.2网格划分和计算窄缝挑坎出口宽度由6m收缩到4m,计算区域包括前面的有压段、出口压坡段和窄缝挑坎收缩段及出口后80m的范围。网格划分采用分块结构化网格,同时为了减少计算区域网格数量和提高计算精确度,首先采用粗网格计算,至初步稳定后再采用自适应加密网格2次,最终计算网格单元数约为17万,节点数约为19万,具体计算区域和网格划分如图2所示。计算时,深孔窄缝挑坎的泄流量由试验给定,水流进口边界条件为速度进口条件,大气进口采用压力进口边界条件,出口采用压力出口边界条件,出流和大气相通,压力为大气压;壁面采用无滑移边界条件,对黏性底层采用标准壁函数法处理。计算开始时,为了节约计算时间,先在上游计算区域预设一定水位的水体,全场流动为非恒定流过程。水的进口初始速度由断面平均速度给出,初始紊动能k和紊动耗散率ε根据速度值按经验公式计算:kin=0.00375∑u2i‚εin=Cμkin320.012ht,式中:ht为进口水深(m),ui为进口水流速度(m/s)。控制进出口水流量大体接近后,再计算10s,作为计算达到稳定的结束条件。3结论分析3.1边墙射流附壁区计算深孔出射水流首先在弧形工作闸门突扩门槽处因边壁的突扩而出现脱壁流态,而后在下泄过程中由于水流横向自然扩散及流道横向缩窄而冲击窄缝边墙边壁,出现附壁流流态,在窄缝挑坎边墙上形成射流附壁区,三维数值计算的窄缝挑坎边墙水流流态见图3,计算结果与模型试验结果对比见图4。为了方便比较分析,深孔常规挑坎数值模拟的边墙射流附壁区水流流态一并列入图3。从图3可知,深孔采用窄缝挑坎后,其水流在边墙上形成的射流附壁区相对于深孔常规挑坎而言,其范围大大增加,说明射流由于窄缝挑坎边墙的横向收缩挤压而沿竖向及纵向扩散明显。在门槽突扩与射流附壁区间存在一无水区域,有侧空腔存在,这与模型试验中观察到的现象一致。从图4可知,数值模拟窄缝挑坎边墙射流附壁区水面线与试验结果吻合较好。3.2射流沿程变化水流在出射过程中首先经过压坡段,而后经过闸门槽的横向突扩,最后经过窄缝挑坎。由于射流边界条件的变化,深孔水流流态也发生一系列变化,其中线水流流态见图5。在闸门槽处由于流道的横向突扩,射流出现脱壁流态,边墙处出现侧空腔。同时门槽突扩处采用45°大坡度底板,射流脱离底板,二者之间出现底空腔,并且底空腔与侧空腔贯通,显然这对防止边墙出现负压有利,并兼有使高速射流掺气的功能,与模型试验中所观察的结果相一致。在窄缝挑坎收缩段,射流水舌受流道横向缩窄的影响形成急流冲击波,水流竖向扩散而变高;出坎后,射流水舌受惯性作用继续沿程横向收缩、竖向扩散,空中呈窄高的水流流态,同试验中的水流流态相对比,计算结果能够准确反应深孔窄缝挑坎出射水流流态的沿程变化。显然,窄缝挑坎应用于高拱坝深孔后,出射水流因受流道横向缩窄的影响,水舌竖向扩散比较明显,不同于常规挑坎体型时的水舌流态。3.3边墙冲击试验深孔采用窄缝挑坎后,其边墙压力分布特性如何,是模型试验和工程设计中比较关心的问题。深孔窄缝挑坎的底板是一个大斜坡(45°),坎末射流水舌下缘在出射过程中不接触底板,存在充分的底空腔,并且底空腔与射流因闸门槽突阔而脱壁形成的边墙侧空腔贯通,底板压力即为大气压。在窄缝挑坎始折点处,受射流冲击的影响,边墙压力大大增加,计算的压力分布等值线见图6。在计算工况(上游库水位1880.00m),边墙冲击区最大压力为232.7kPa,位置为X=46.18mY=3.60m,而模型试验中得到的冲击区最大压力为245.0kPa,位置为X=46.22mY=3.70m,边墙冲击区最大压力和位置与试验值吻合较好。深孔窄缝挑坎边墙压力计算值和试验值结果列入表2。由表可见,计算值总体比试验值偏小,但二则相差不大,分布规律也是基本符合的。另外,从计算的窄缝挑坎边墙压力分布来看,没有出现负压区,边墙压力最大值点出现在窄缝挑坎始折点上(X=46.35m,Y=3.82m,p=242.6kPa)。3.4深孔常规挑坎线速率分布从上述分析可知,三维紊流数值模拟计算的深孔窄缝挑坎边墙冲击区水面线及压力分布均与试验结果吻合良好,因而数值计算的深孔窄缝挑坎流场是可信的,计算的窄缝挑坎中线流速分布矢量图见图7,为方便比较分析,深孔常规挑坎中线流速矢量分布在图中一并列出。从图7可知,相对于深孔常规挑坎而言,由于窄缝挑坎消能工的横向收缩作用,深孔水舌沿竖向扩散、拉伸明显,沿程在垂向的流速值大小变化不大,但流速方向发生了明显的变化(-25°～5°),这显然对水舌的竖向及纵向扩散有利,因而使得水舌纵向扩散及拉长效果明显,水流在水垫塘入水处的内缘挑距减小而外缘挑距增加,纵向长度大大增加。显然正是窄缝挑坎这种流速分布特性才促使了射流水舌的竖向及纵向扩散,从而获得了窄长的下泄水流流态。4深孔窄缝挑坎数值模拟结果通过对倾斜窄缝挑坎应用于高拱坝坝身泄洪深孔的三维数值模拟研究,结果表明:1)本文所选用的计算模型,其计算窄缝挑坎边墙水流冲击区水面线及边墙压力分布结果同模型试验值吻合良好,说明本文所选用的三维数值模型是可靠的,可用来模拟高拱坝坝身深孔窄缝挑坎出射水流的三维特性。2)数值模拟结果显示,深孔窄缝挑坎射流在工作闸门突扩门槽后存在贯通的侧空腔和底空腔;受边墙横向收缩作用,射流出坎后呈窄长的水流流态,同试验中观察的结果一致。3)边墙压力分布