城门洞型输水隧洞明满流计算与试验.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:张婧镁()女重庆彭水人博士研究生主要从事工程水力学研究:.通信作者:鞠小明()男江苏靖江人教授硕士主要从事电站水力学及过渡过程控制与仿真研究:.:./.():城门洞型输水隧洞明满流计算与试验张婧镁向 升汤荣才王 群鞠小明(.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都.四川久隆水电开发有限公司成都.永城市水利局河南 商丘)摘 要:无压输水隧洞中受到闸门启闭而引起的明满交替流水力瞬变现象通常会造成洞内的压力剧增对工程安全运行造成威胁 为了探究城门洞型隧洞的明满交替流和明流过渡过程实测了模型隧洞沿线断面水深或压力变化曲线基于窄缝法原理使用扩散法对实测工况进行数值模拟计算将实测数据与计算结果进行了对比分析 研究表明:在下游初始水深逼近城门洞直墙高时下游闸门突然关闭后在大来流量下管路中出现压力瞬间陡增的完全明满流现象水流向上游传播并伴随剧烈的掺气在小来流量下表现为不掺气压力突升的临界明满交替流回波造成二次压力剧增断面压力达到峰值 窄缝扩散法对于从明流完全转化成满流的明满流过渡过程模拟效果较好而对于临界明满流的模拟有较大的误差 无压流水力过渡过程数值模拟计算结果与实测值基本一致反映了明渠水力过渡过程数学模型的合理性 研究成果可为深入研究这一复杂水力现象提供借鉴和参考关键词:城门洞型输水隧洞明满流窄缝法数值模拟计算试验验证中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):().第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景各类输水系统通常严格要求在无压或有压的条件下运行但基于故障或其他工程方面的原因一些输水道中不可避免会出现明满交替流现象 大型灌区输水隧洞沿线的闸门启闭、电站负荷变化后的引水洞或尾水洞以及暴雨天气时城市的下水管道中均可能发生明满交替流 通常这种现象的出现会伴随着较大的压力波动对输水道结构造成威胁甚至导致直接破坏例如汉密尔顿一主下水道在高流量时经历了严重的压力瞬变剧增压力破坏了焊接井盖导致地下室被淹 对于电站尾水隧洞而言设计人员为了避免明满交替和混合的复杂流态会采用变顶高设计方案或是通气孔设计方案例如越南的 电站、中国的三峡电站、向家坝电站等 但对于不适合采用变顶高等各类方案来避免明满交替流出现的输水管路准确地计算出管内的压力峰值便显得尤为重要从而给工程的安全设计提供可靠依据目前对明满交替流的研究不如有压流或明流充分还处于不断探索的阶段 现有的描述明满流现象的数值模拟计算方法主要有窄缝法、激波拟合法以及刚性水体法 其中激波拟合法在计算过程中不够稳定当涌波较陡时明流波速与有压流的波速差别较大会导致数据离散 而刚性水体法的计算过程十分复杂且与实际明满流现象有许多的差异因此该方法很少用于实际的明满交替流水力瞬变过程的计算 相比而言窄缝法的应用是最为广泛的 等通过建立具有交错网格的“”算法从而大大加快了窄缝法的计算速度并且提高了计算稳定性 等针对窄缝法计算中的空间步长、时间步长和窄缝宽度设置对计算结果的影响进行了研究 尽管 和 等提高了窄缝法的计算精度然而这些结论仅仅是通过某一特定试验的验证得出的缺少对多种明满流工况 的 模 拟 在 模 型 验 证 上 的 工 作 还 有 所 欠缺总的来说无压输水隧洞中发生的明满流水力流态复杂是目前水力过渡过程研究领域中的难点和研究前沿 为了实际观察明满交替流发生时洞内的水力过渡过程现象设计了含有溢流堰的城门洞型输水隧洞明满流模型试验研究装置和试验方案并进行了多个工况的明满交替流试验研究实测发生明满流时隧洞沿线断面的水深或压力变化过程并与数值模拟方法(基于窄缝法原理的扩散法)的计算结果进行比较分析对比数值模拟结果与试验结果的差异并讨论扩散法的适用性从而为深入研究这一复杂水力现象提供借鉴和参考 此外在同一个物理模型上进行了明渠水力过渡过程的试验研究将实测结果与数值模拟结果进行对比分析验证了无压瞬变流数学模型的合理性 数学模型与试验布置.数学模型.明满流数学模型为了便于比较写出描述明渠和有压管道中的瞬变流方程.明渠连续方程为 ()式中:为过水断面积 为水面宽 为流速 为时间 为水深 为水流方向的长度运动方程为 ()()式中:为重力加速度 为渠底坡度为阻力损失引起的能量坡度且 满足下式即/式中:为糙率 为流量 为水力半径.有压管道连续方程为 ()式中:为测压管水头 为水击波速运动方程为 ()()从 种水流的连续方程和运动方程间的对比发现假定水深 等于测压管水头 水击波速 等于面波波速 即/则这些方程均是相等 长江科学院院报 年 的 因此 提出了窄缝法将有压流的方程与明流的方程统一起来达到求解明满交替流问题的目的 该方法是假定管道顶部有一条很窄的缝(图)在数值计算时选择的缝宽只需要保证 则该缝的存在不计入有压管道的断面积和水力半径中使得明满交替水流不需要单独分析计算假想缝隙假想缝隙水面yARBA,R,B(a)无压流(c)有压流(b)水道特性水面O图 明满流假想窄缝.显式格式扩散法图 表示了扩散法中的各个符号 图 中为时间间隔 为 方向的距离间隔MPRLtxx0t0O图 扩散法的符号.在对窄缝法所提出的统一的圣维南方程进行求解时方程中的偏导数用有限差分代替即:()()式中下标、分别表示 点、点、点、点的物理量下同 点的状态由式()算出即()()()()将明流的连续方程式()换成关于流量 的公式有 ()将差分后的方程式()、式()分别代入连续方程式()和运动方程式()解出 和 分别为 ()()()()()()该方法之所以称为扩散法是因为将式()和式()各项展开成泰勒级数后与式()和式()相比产生了附加扩散项.边界条件扩散法用于内部节点参数的求解对于边界节点参数求解需要结合具体的边界条件采用特征线法进行计算 文中涉及的边界条件有闸门的启闭和溢流堰边界根据数值模拟计算和模型试验所设置的工况边界处理可分为以下几种情况()闸门关闭流量线性变化(上、下游闸门通用)节制闸过闸流量 及过闸流速 分别为:()/()/()式中:为节制闸过闸流量为初始流量为闸门最终的过流量 为经历时间为闸门的总关闭时间 上述方程结合正、负特征线方程便可求得闸门节点断面的瞬时水深(压力)和流速()溢流堰(位于试验管段前)边界 溢流量可表示为/()式中:为流量系数为溢流堰宽度为堰上水头 其中 为溢流堰堰顶顶高程则 ()其中 用含有 的负特征线方程求解溢流堰断面的流量满足连续方程存在以下的关系即 ()联立式()式()可求得 只不过关于的方程是非线性方程不能直接将 显式表示可用牛顿迭代法进行求解只要给定一个 的迭代初值与计算精度便可以进行求解 在上游溢流堰断面的水深还未达到溢流堰顶高度时应采用来流量恒定的边界条件直至水深达到溢流堰顶高程时才替换成溢流堰边界否则在进行水深计算时迭代格式容易出现不收敛的现象 第 期张婧镁 等 城门洞型输水隧洞明满流计算与试验.城门洞型隧洞模型试验装置与工况设置.模型整体布置与参数本文进行的水力学试验旨在研究城门洞隧洞内的明流、明满流、满流 种流态的水力过渡过程 试验模型装置如图 所示比例尺为 利用某水电站城门洞尾水系统改造而成尾水隧洞采用透明有机玻璃建造试验装置平面布置和城门洞断面尺寸如图()所示采用 台轻型立式离心泵向隧洞供水来流经 根支洞汇合至试验隧洞段 试验隧洞进口断面前设置一溢流堰管道溢出的水可流入旁边的溢流池溢流池后设置一泄水渠泄水渠末端设置一直角三角堰用于校核流量计测得的流量溢流堰后接试验隧洞隧洞的上、下游各布置一个闸门闸门位于主洞管段末端靠近下游水箱位置闸门位于上游 测点处 隧洞尾部接下游水库水箱水箱水位由水箱内的溢流装置控制用于控制明流初始恒定流输水隧洞内的水面线和流态上游水库下游水库溢流堰流量计水泵溢流池三角堰测压段城门洞断面参数8 6 09 5.61 3.21 6.4 测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点8测点9测点1 0Q溢流堰下游水库1 4.4R 9.7 2单位:c m1#闸门槽2#闸门槽1 8 5 09 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 02 03 48 6 0(b)测压段详图(a)试验模型总体布置示意图图 试验装置示意图.试验测量段城门洞隧洞总长.城门洞隧洞断面面积为.底宽为.直墙高为.顶拱半径为.顶拱圆心角为.底坡为.糙率为.溢流堰堰宽.堰顶高.经试验测得溢流堰系数在.之间.试验仪器抽水离心泵单泵最大抽水量./使用 型涡轮流量计测流量测点压力采用数字传感器传感器测量型号为 量程为 压力传感器安装于城门洞隧洞底部因而测出的压力值直接对应断面底部水深值或压力值 试验时共设置 个压力测试点各测点的位置如图()所示.工况设置为了便于和数值模拟中的计算结果进行类比物理模型试验工况和数值模拟工况相同 经过多次试验发现出现明满流现象的工况分为 种情况:一是在上游来流量为./时关闭下游节制闸后隧洞内水流由明流流态完全转换为满流流态并向上游传递即试验工况 二是在上游来流量为./关闭下游 节制闸时隧洞内水流由明流流态转换为临界满流状态即试验工况 关于明渠瞬变流的试验验证在以上两个流量下隧洞内发生的水力过渡过程中隧洞沿线断面的水压变化现象类似因此仅选取上游来流量为./的工况进行研究分析即试验工况 试验与数值模拟计算结果分析关闭 闸门时选取试验隧洞段下游 闸门上游侧的测点 隧洞中间 闸门下游侧的测点 以及上游溢流堰下游侧的测点 三个特征断面的实测水深或水压曲线与数值模拟计算曲线进行对比分析关闭中间 闸门时或同时关闭 和 闸门时将试验隧洞段下游 闸门上游侧与中间 闸门下游侧的测点 测点 三点的实测曲线与数值模拟计算曲线进行对比分析.试验工况 上游来流量为./线性关闭下游 闸门关闭历时 上游 闸门保持常开状态下游闸门处初始水深为.该工况是隧洞内水流由 长江科学院院报 年 明流状态完全转换为满流状态的工况 实测和数值模拟计算结果的特征断面压力变化曲线如图()所示典型试验现象如图()所示图 试验工况 关闭下游节制闸时的实测和计算压力曲线和压力波传播过程中出现的大量气泡现象.由图 可知在整个过渡过程中当下游断面关闸后闸门上游侧水流瞬间从明流状态变为满流状态且伴随着明显的压力剧增 压力波从下游依次向上游传播在向上游传播的过程中波前伴随着大量的气泡当压力波离开后断面压力又很快锐减至接近洞顶高度的水压之后压力再逐渐上升至稳定状态 可以看出测点 稳定后的水压同溢流堰处稳定溢流后的水深基本一致 这是城门洞隧洞内水流由明流完全转换为满流的过渡过程试验现象试验过程得到了多次重复性验证从图()分析对于工况 出现的明满交替流总体来看特别是测点 和测点 数值模拟计算出的压力变化曲线与模型试验实测曲线的变化趋势基本一致只是压力峰值存在一些差异数值模拟计算出的压力峰值比实测的略大且出现时间稍晚单一对比某一特征断面上的压力变化过程可发现越靠近下游断面测点数值模拟计算曲线与实测曲线的变化过程吻合程度越好 对于最上游断面测点在瞬变流初期无论在数值上还是在变化过程上数值模拟计算结果与实测结果相比都存在较大的差异但是在大约 后数值模拟计算曲线和实测曲线吻合较好 实测结果显示上游靠近溢流堰断面的压力在开始阶段并未出现快速增大现象而在数值模拟计算中该断面在开始阶段就出现了压力增大现象究其原因可能是数值模拟计算的溢流堰是集中于测点 位置而物理模型的溢流堰沿隧洞长度方向总有一定的长度不可能集中在一个断面上 综上对于此类明流完全转化成满流的情况数值模拟结果可以良好地反映实际工程现象体现了基于 窄缝法原理的数值模拟扩散法的合理性.试验工况 上游来流量为./下游闸门处初始水深为.线性关闭下游 闸门关闭历时 上游 闸门保持常开状态该工况属于临界满流状态 实测与数值模拟计算的特征断面压力变化曲线如图()所示典型试验现象如图()所示图 试验工况 关闭下游节制闸时的实测和计算压力曲线和水流处于明、满流临界状态.由图()可知虽然初始水深同样逼近直墙高将流量减小至./后各断面的压力变化规律与工况 差异较大 下游闸门关闭后的瞬间试验观察洞内水