基于VOF模型溢洪道掺气槽位置数值模拟_周凯.pdf

第 卷第期 年月水电能源科学 ：基于 模型溢洪道掺气槽位置数值模拟周凯，牧振伟，张红红，（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 ；新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 ）摘要：为解决高水头溢洪道空蚀破坏问题，设计了种方案，分别在桩号 、处加设掺气槽，其对应的弗劳德数 分别为 、，并采用 紊流模型和物理模型试验的方法，分析易发生空蚀破坏断面的掺气浓度及沿程水流空化数指标。结果表明，在桩号 处加设掺气槽，在易发生空蚀破坏截面临底掺气浓度大于，沿程水流空化数均大于，效果优于其他种方案，可有效解决溢洪道空蚀破坏问题。关键词：溢洪道；掺气槽位置；模型；弗劳德数；掺气浓度分布中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；新疆维吾尔自治区高校科研计划创新团队项目（）作者简介：周凯（），男，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学，：通讯作者：牧振伟（），男，教授、博导，研究方向为水力学及河流动力学，：1引言高水头泄水建筑物在较大流速部位易产生空蚀破坏，造成建筑物表层脱落，甚至形成流道内部的深坑。对此，主要采用在溢洪道上设置掺气槽的方法，来避免溢洪道发生空蚀破坏。由于设置掺气槽，溢洪道内部流场紊动及水气混掺剧烈，现有量测方法很难实现对溢洪道内部水流特性的监测，且部分试验数据量测易产生误差，而数值模拟方法对溢洪道内部水力特性具有良好的观测能力。如赵莹等采用 紊流模型，分别对、矩形掺气槽进行数值模拟分析，得到加设掺气坎可有效避免高速水流对过流表面的破坏；高学平等采用混合湍流模型，对溢洪道沿程断面掺气浓度、水面线及掺气空腔进行研究，证明了双流体欧拉法在溢洪道掺气水流中的可行性。目前，关于掺气槽位置的模拟研究较少，尚缺少掺气槽位置对工程掺气影响的相关理论研究。鉴此，本文采用 模型与物理模型试验相结合的方法，对溢洪道泄槽段进行加设掺气槽方案优化比选，探究了掺气槽位置对实际工程的影响，旨在为类似工程设计提供借鉴。2模型试验与计算体型2.1溢洪道概况新疆某溢洪道全长 ，引渠段为渐缩弧形，底板高程 ；堰堰高，宽；闸室段长；后接泄槽段，长 ，采用缓坡接陡坡的连接方式，缓坡段纵坡坡比:，陡坡段纵坡坡比:，缓坡与陡坡间采用抛物线的连接方式；后接挑流鼻坎段，长。设计流量 ，校核流量 ，在设计和校核流量下泄槽段流速均高达 以上。其体型见图。图溢洪道结构布置示意图（单位：）2.2模型比尺溢洪道掺气减蚀物理模型按重力相似准则设计，满足几何相似、水流运动相似与动力相似，确定模型比尺，其水力要素见表。第 卷第期周凯等：基于 模型溢洪道掺气槽位置数值模拟表重力相似条件下的各水力参数 水力参数 换算关系 相似比尺水力参数换算关系 相似比尺长度 流量 压强 时间 流速 糙率 2.3试验方案由于泄槽段流速过大，且易发生空蚀，故设计了种方案，分别在桩号 、处加设掺气槽进行对比试验，试验方案见表。表试验方案 方案工况试验流量（）掺气槽位置 原方案设计流量 校核流量 设计流量 校核流量 设计流量 校核流量 设计流量 校核流量 掺气槽坎高应保证其坎后水流与底板夹角尽可能小，且掺气槽坎后应有稳定的掺气空腔。本文选取掺气挑坎，坎长，坎高，挑坎角度为 ，掺气槽尺寸为，通气孔尺寸为，陡峭部分长 ，与泄槽段底部相连接。掺气槽细部构造见图。图掺气槽细部构造图 3数值模拟3.1控制方程 适用于分层流和需要追踪自由表面的问题，在不同流体域中共用一套方程，计算各流体域占整个计算域体积的百分比，在水气两相流中，规定水体积分数为，当时，表示单元内没有水相；当时，表示单元内完全充满水相；当为时，则表示单元内存在水相；对于单元内水气两相流，水和气的体积之和为。计算选用 湍流模型，其考虑泄槽段高速水流中的旋流流动情况，能更好地表示强剪切力的流动，其连续性方程、动量方程、湍动能方程和耗散率方程中连续方程为：（）（）动量方程为：（）（）（）（）（）方程为：（）（）（）（）方程为：（）（）（）（）其中（）（）式中，为密度，；为压强，；时间，；、均为时均速度分量，；、均为坐标分量；为流体粘滞系数，；为紊动粘滞系数，；为湍动能产生项；、分别为紊动能及紊动耗散率对应的普朗克数，均取 ；、均为控制方程常数变量，值分别为 、。3.2网格划分模拟区域划分为弧线型引渠段、堰、泄槽段及挑流鼻坎段，为获取较高网格质量，对溢洪道采用分块划分网格，最后组合的方式，网格划分采用六面体结构网格。为了获取较为精确的数据，对掺气槽部位及水气交界面处的网格进行局部加密，最终确定网格总量在 个左右。选取方案泄槽段及挑流鼻坎段进行加设掺气槽试验，泄槽段网格及掺气槽细部网格划分见图。图泄槽段及挑流鼻坎段计算网格划分 3.3边界条件溢洪道进口分为空气进口和水流进口，其中空气进口采用标准大气压进口，水流进口采用速度进口，不同工况模型进口流速分别为设计 ；校核 ，通气孔的进口为标准大气压进口，溢洪道出口为标准大气压出口，两侧边墙及底板设为无滑移边界，采用 算法对压力速度耦合迭代求解，考虑到最小网格尺寸及流速的大小，选取计算时间步长为 。当迭代残差曲线低于设置条件且进出口流量误差小于时，可判定计算完成。4结果与分析4.1结果验证4.1.1泄槽段水面线及流速分布为确保数值模拟结果的可靠性，利用模型试验对方案设计、校核流量工况下数值模拟计算结果进行验证。结果见图。由图可知：设计流量下，溢洪道泄槽段流速计算值与试验值最大误差在桩号 处，为；校核流量下，溢洪道泄槽段流速计算值与试验值最大误差在桩号 处，为，计算结果与试验值误差均小于 ，说明该方法在消力池内部水流特性模拟中具有较高的可靠性。图数值模拟与模型试验对比 4.1.2掺气槽局部水面线及流速分布方案掺气槽局部剖面水气二相分布见图，水流在掺气槽上游形成明显的水气分界面，在图方案掺气槽部位水气二相分布 设计、校核流量工况下，水流流态均在掺气挑坎位置有所上升，且在掺气槽下游形成一段稳定的掺气空腔，其长度可近似为掺气浓度 的等值线与底板交点距挑坎的距离，其中设计流量下空腔长度为 ，校核流量下空腔长度为 。方案掺气槽断面水深、流速分布见图。由图可得：设计流量下掺气挑坎上水深为 ，断面平均流速为 ；模型试验实测坎上水深为 ，流速为 ，其水深误差为，流速误差为；校核流量下掺气挑坎上水深为 ，断面平均流速为 ；模 型 试 验 实 测 坎 上 水 深 为 ，流 速 为 ，其 水 深 误 差 为，流速误差为。在设计、校核工况下，掺气槽临底部掺气明显，流速集中在截面中心，水深、流速误差均在 以下，计算值与试验值吻合较好。图挑坎处断面水深、流速分布 4.2断面掺气浓度分布由于桩号 段易发生空蚀破坏且流速过大，故选取桩号 、四个断面进行掺气浓度观测，结果见图。由图可知，各断面掺气浓度分布规律基本相同，坎后掺气浓度沿程先增大后减小；由于掺气槽下游靠近底板处形成了掺气空腔，掺气水流在靠近底板处掺气浓度较高，在水体主流区，掺气浓度相对较低。水流空化数与掺气浓度呈正比，且在低流速下受掺气浓度影响较大，在高流速下受掺气浓度影响较小。当近壁水流掺气浓度大于 时，能有效降低空蚀破坏，当掺气浓度大于时，空蚀破坏基本消失。在实际工程中，当临界掺气浓度值大于，即可避免泄水建筑物过流面空蚀破坏问题。在所选截面中，方案（工况、）加设掺气槽距离所选截面最远，在 易 发 生 空 蚀 段，临 底 掺 气 浓 度 小 于，掺气浓度自底面至表面逐渐增大。方案（工况、）临底掺气浓度达到 之间，方水电能源科学 年第 卷第期周凯等：基于 模型溢洪道掺气槽位置数值模拟图断面掺气浓度分布 案（工况、）临底掺气浓度在 以上，掺气浓度均呈现底部和表面大、中间小的分布规律。这与马关博等研究结论吻合，相较于方案、，方案在易发生空蚀段掺气更为充分，能有效避免空蚀破坏的产生。4.3水流空化数由于泄槽段流速过高，故对泄槽段桩号 处进行水流空化数计算，根据水流空化数及流速判断溢洪道是否发生空化现象。文献 中美国垦务局水力学专家布格提出空蚀控制的建议，时，可不考虑保护措施；时，严格控制不平整度；时，要加设掺气设施；时，要修改设计。水流空化数越小，流速越大越易产生空化现象，空化数计算公式为：（）（）（）.（）式中，为来流参考断面时均压力水头，；为来流参考断面平均流速，；为大气压力水柱，；为当地海拔高度，；为水汽化压力水柱，与水温有关，本试验水温取，则取为 。水流空化数计算结果见图。原方案设计、校核工况下，在桩号 范围出现不同程度水流空化数 的情况，且流速大于，综合考虑应加设掺气槽，以增大水流空化数，防止高速泄水建筑物中的某些部位出现空蚀破坏。方案在设计、校核工况下，沿程水流空化数较原方案均有所提升，在设计流量工况下，沿程水流空化数，但在校核工况下，桩号 段仍出现水流空化数 的情况，由于流量的增大，其水流空化数随流速增大而增大。方案在设计、校核流量工况下，图水流空化数 沿程水流空化数，在易发生空蚀断面临底掺气浓度在 之间，可有效降低空蚀破坏的产生。方案在设计、校核流量工况下，沿程水流空化数均大于，且在易发生空化空蚀段临底掺气浓度高达 以上，计算值与试验值吻合较好，最终确定在溢洪道泄槽段桩号 处设置道掺气槽，可有效避免空蚀破坏的产生。5结论 方案在易发生空蚀截面，其临底掺气浓度范围为 ，且沿程水流空化数大于，可有效避免空蚀破坏。掺气槽应优先考虑布置在易发生空蚀断面上游且弗劳德数 较大的位置，同体型掺气槽，布置于弗劳德数 较大的位置，其效果较好。参考文献：赵业彬，徐艺绯，骆少泽，等某水电站溢流坝陡槽高速泄流掺气减蚀试验研究 水电能源科学，（）：赵莹，王贞化组合掺气体型水力特性三维数值模拟 水电能源科学，（）：高学平，贾来飞，宋慧芳，等溢洪道掺气坎槽后掺气水流三维数值模拟研究 水力发电学报，（）：，（）：时启燧，潘水波，邵媖媖，等通气减蚀挑坎水力学问题的试验研究水利学报，（）：南海龙，徐一民，颜敏，等 掺气坎后水流掺气浓度分布及掺气保护长度试验研究水电能源科学，（）：郭志萍，董志勇掺气条件下水流空化特性的研究 水力发电学报，（）：（下转第 页）第 卷第期韦正鹏等：某电站灯泡贯流式水轮机转轮优化研究5结论 转轮叶片正反两面各加厚、对转轮叶片出水边外轮缘进行修角度处理，对某电站水轮机的能量特性与内部流动特性基本无影响。通过对转轮叶片的加厚与修角处理，可解决某电站转轮应力与变形过大问题，优化后的转轮可有效避免转轮裂纹的产生。对叶片进行优化处理后，得到的转轮符合工程实际需要，且水力性能与原转轮相比基本保持不变。参考文献：刘阳，潘利坦，孟鹏，等基于流固耦合的混流式水轮机转轮裂纹改造分析水电能源科学，（）：，韦正鹏，王鸿腾，刘阳，等基于 有限元计算平台水轮机水力性能分析水电能源科学，（）：，（，；，）：，：；（上接第 页）常银兵，黄国兵，王丽杰掺气保护长度研究进展水利科技与经济，（）：马关博，徐一民，乔梁，等泄槽底部掺气坎后水流掺气浓度分布模型试验水利水电科技进展，（）：王均星，王汉辉，雷川华，等云龙水库泄洪洞空蚀及体形优化研究武汉大学学报（工学版），（）：，（，；，）：，：；（上接第 页），（，）：，：；