掺气坎σ值对阶梯式溢洪道的性能影响研究.pdf

2023 年 7 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 7 期 Jul.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.7 Vol.42 131 文章编号：1672-3317（2023）07-0131-07 掺气坎?值对阶梯式溢洪道的性能影响研究 李晓超 1，乔超亚 2，谢敏萍 3，肖广磊 3，秦 蓉 3，张 浩 4（1.中国华水水电开发有限公司，成都 610000；2.中国长江电力股份有限公司，武汉 430000；3.华北水利水电大学，郑州 450045；4.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳 474664）摘 要：【目的】进一步探索掺气坎对阶梯溢洪道的水力性能影响研究。【方法】提出了高距比 值，并通过数值模拟，针对 值取 1/3、1/2、2/3 下，l 分别取 0.6、0.9、1.2 m 的 9 种阶梯溢洪道方案进行了模拟，对各方案下阶梯溢洪道的水面线、速度矢量、掺气浓度、消能率进行了分析。【结果】发现掺气坎 值对阶梯溢洪道性能有显著影响，掺气坎位置越靠近下游，阶梯溢洪道消能率越高且越稳定，受 值的影响越小；值越小，掺气坎前空腔越多；值越大，掺气坎后空腔越多；掺气坎后空腔有利于提升台阶竖直面水流掺气浓度；掺气坎位置越靠近下游，掺气浓度越高；掺气坎越高，掺气浓度越高。【结论】通过对掺气坎不同 值方案下的阶梯溢洪道性能分析，结合数值模拟结果，发现掺气坎在同一 值下，位置越靠近下游，水流流态越平顺、掺气效果越稳定、消能率越高；掺气坎在同一位置下，值越大，阶梯溢洪道的水流流态越平顺、掺气效果越好，但消能率却并非在最大 值下最优，而是存在一个 极值，且随着掺气坎向下游移动有减小趋势。关 键 词：阶梯溢洪道；掺气坎；消能率；数值模拟 中图分类号：TV651.1 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022471 OSID：李晓超,乔超亚,谢敏萍,等.掺气坎值对阶梯式溢洪道的性能影响研究J.灌溉排水学报,2023,42(7):131-137.LI Xiaochao,QIAO Chaoya,XIE Minping,et al.Influence of Aeration Threshold on Performance of Stepped SpillwayJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(7):131-137.0 引 言1【研究意义】泄洪抗汛是水电站、泵站等水利枢纽的一项重要任务。在水利水电工程中，影响其效益发挥的关键因素之一就是泄洪消能技术，且由于我国的水电资源主要集中在西部地区，高水头、大流量、窄河谷是很多西部水电工程的典型特征，为安全泄洪，保障广大人民群众生命财产安全，工程建设的关键性控制因素便是如何确保顺利的泄洪消能。因此，对水电工程泄洪消能关键技术进行深入研究具有十分重要的意义。【研究进展】阶梯溢洪道作为泄洪建筑物的一种，以其消能率高、可有效缩减下游消力池等设施尺寸的特点1，得到了迅速发展和广泛应用，但阶梯式溢洪道的消能率会随单宽流量的增加而减小，在较大的单宽流量下，阶梯溢洪道易受到空化空蚀的损害。为此，国内外专家针对阶梯式溢洪道开展了诸多研究。Ohtsu 等2引入“过渡流”机制，将阶梯上的流态分为“跌落流”“过渡流”“滑行流”3 种。Peyras 等3收稿日期：2022-08-25 修回日期：2023-03-18 网络出版日期：2023-05-10 作者简介：李晓超（1997-），男，河南长垣人。工程师，硕士，主要从事水利水电工程等方向研究工作。灌溉排水学报编辑部，开放获取 CC BY-NC-ND 协议 通过试验发现坝坡越缓，溢洪道消能率越高。Boes等4试验分析发现消能率只与阶梯临界水深有关。有研究5-6通过阶梯式溢洪道数值模拟发现：台阶级数越多，溢洪道滑行水流对台阶的冲击较小，水流流态越好。赵相航等7通过在 VOF 模型下对阶梯溢洪道的数值模拟发现，水流漩涡为顺时针漩涡，位于台阶凹角内，漩涡中心位置在 0.22 步高和 0.22 步长交汇处，通过压强分析发现，该凹角处为负压，易发生空化。吴春水8通过对阶梯溢洪道的数值模拟发现水流越靠近下游，流速越快。在压力分布图的竖直面，拐角上部的压力值为最小负压；阶梯式溢洪道的水平面均为正压，而光滑式溢洪道水平面则为负压。部分研究9-11对传统矩形台阶进行了改进，把传统的矩形台阶改为了“V”形台阶、倒“V”形台阶和“M”型台阶，通过模拟结果的对比分析发现，改进后的溢洪道水流由原二元流动为三元流动，消能率显著增加。另外一些研究12-14通过对阶梯溢洪道的模拟分析发现：坝坡越缓，水流流速越小，消能率越大。伍平等15发现坡比宜控制在 1312 间。还有研究16-17通过对实际案例的模拟分析发现，前置掺气坎的掺气效果明显。Zare 等18对不同掺气坎形状、不同掺气坎位置对水流掺气点及掺气水深的影响做了试验研究。贾灌溉排水学报 http:/ 132 洪涛19-20对不同台阶形式和掺气坎位置进行了数值模拟，发现掺气坎式台阶溢洪道的消能率明显优于其他 3 种形式，且掺气坎越靠近下游，消能率越高。综合前人经验可知，【切入点】目前所应用的阶梯溢洪道多为组合型阶梯方式21，而在众多的组合型阶梯溢洪道中，坎式阶梯溢洪道以其性能优越、施工便利的特点脱颖而出，可有效解决阶梯面的空蚀破坏，正成为新兴溢洪道。而目前关于掺气坎的高度和位置方向的研究很少，【拟解决的关键问题】本文提出了掺气坎的 值这一概念，用以描述掺气坎在台阶不同位置和不同掺气坎高度的关系，并对不同 值下的方案进行了研究分析，以求进一步探索其内部规律，提高阶梯式溢洪道水力性能。1 计算方案 本文所用阶梯溢洪道源于 Felder 试验中的模型，该溢洪道共 6 个台阶，高 6 m，长 20 m。第一级阶梯前宽顶堰长 8 m，坡度=26.6，台阶长 W=5 m，宽B=2 m，高 H=1 m，如图 1（a）所示。b 为掺气坎宽度取 0.2 m，h 为掺气坎高度，l 为掺气坎到下一台阶的水平距离，=h/l 为高距比，其中 l 分别取 0.6、0.9、1.2 m，对应为台阶上的位置 l1、位置 l2、位置 l3的 3个位置，则取 1/3、1/2、2/3 的 3 个数值，对应掺气坎参数如表 1 所示，共计 9 种台阶体型，依次记为 19号，如图 1（b）、图 1（c）、图 1（d）所示。表 1 掺气坎方案参数 Table 1 Parameter table of aerator scheme 位置 h/m l1=1.2 m l2=0.9 m l3=0.6 m 取值 0.4 0.3 0.2 1/3 0.6 0.45 0.3 1/2 0.8 0.6 0.4 2/3(a)原型 1 号 2 号 3 号(b)位置 l1 4 号 5 号 6 号(c)位置 l2 7 号 8 号 9 号(d)位置 l3 图 1 台阶模型图 Fig.1 Step model diagram 2 数值模拟 2.1 建模及网格划分 根据模型参数，建立阶梯溢洪道模型，比例为11，网格划分采用结构化网格，示意图如图 2。图 2 网格划分示意图 Fig.2 Grid division diagram 为验证该模型计算的准确性，根据网格单元长度的不同，设置不同网格数量的方案，选取掺气坎顶点位置的速度值为评价参数，进行网格无关性分析。由图 3 可知，网格数量 15 万与 12 万时的模拟结果曲线已几乎重合，此时网格数量已无较大影响，确定最终网格数量为 12 万。网格无关性分析如图 3。图 3 网格无关性分析 Fig.3 Grid independence analysis 2.2 边界条件 数值模拟计算进口断面为第一级台阶前宽顶堰上的收缩断面，采用压力进口，出口断面为最后一级台阶之后 0.5 m 处，此处认为流速分布较为均匀，为自由出流，台阶两边均采用壁面边界，底部为壁面边界，水面采用对称边界。2.3 控制方程 本文基于 Flow-3D 软件，采用模拟精度较高的RNG k-模型，该溢洪道水流模拟中忽略能量转换，其流动主要涉及连续方程和动量方程。2.02.53.03.54.04.55.01 2 3 4 5 速度/(m s-1)尾坎编号 网格数量：6万 9万 12万 15万 李晓超 等：掺气坎 值对阶梯式溢洪道的性能影响研究 133 连续方程：yxzxFDIFSORvAuAwAuAVRRRtxyzx，（1）式中：VF为可流动体积分数；为密度；RDIF为湍流耗散项；RSOR为源项；u、v、w 分别为 x、y、z 方向的速度分量；Ax、Ay、Az分别是 x、y、z 方向的可流动面积分数。动量方程：2ySORxyzxxxwsFFF11A vRuuuupuAvA RwAGfbuuutVxyzxVxV，（2）ySORxyzyyywsFFF11A uvRvvvvpuAvA RwARGfbvvvtVxyzxVxV，（3）SORxyzzzzwsFF11RwwwwpuAvA RwAGfbwwwtVxyzxV，（4）式中：Gx、Gy、Gz分别是 x、y、z 方向上的重力加速度；fx、fy、fz分别是 x、y、z 方向上的黏性加速度；bx、by、bz分别是 x、y、z 方向上的流体损失；p 为作用在流体微元上的压力。k 方程：keffkiijjku kkGtxxx，（5）方程：21effk2iijjuCGCtxxxkk ，（6）式中：为流体密度；k 为紊动能；为紊动能耗散率。3 结果与分析 3.1 水流流态 为分析不同台阶模型下的溢洪道水流流态，根据数据模拟结果绘制出了每种模型水流稳定之后的水面线图及具有代表性的台阶面上的流速矢量图，如图 4 所示。由图 4 可知，位置 l1的 3 种台阶模型下的流态均为跌落流，掺气坎靠近上游位置，水流直接冲击在下级台阶上，受台阶的反作用力形成水跃继续流至下级台阶，直到溢洪道底部。随着掺气坎高度的增加，该状况略有好转，但水流直接冲击台阶，极易引起台阶表面损伤，且台阶与水流间存在大量的空腔，流态紊乱；位置l2中跌落流和过渡流共存，相比位置1而言，水流直接冲刷台阶的情况明显改善，空腔明显减少，在台阶竖直面与掺气坎间形成较小的顺时针漩涡。随着掺气坎高度的不断增加，掺气坎与台阶前形成的漩涡不断增大，水流不断进行消能，当掺气坎高度增至0.6 m 即 6 号台阶模型时，掺气坎后均形成空腔；位置 l3水流充满台阶，空腔很少，水流流态为滑行流。水流在掺气坎与台阶间形成的漩涡中充分消能，流向下游。随着掺气坎高度的不断增加，空腔从台阶后转移至了掺气坎后，且此时溢洪道存在与普通阶梯溢洪道相似的虚拟底板，此底板以掺气坎顶部和台阶凸角连线为界，下方是以 y 方向为轴的漩涡，上方是与虚拟底板近似平行的水流层。对于同一位置而言，越大，台阶与掺气坎之间的空间越大，越容易捕捉到从上一个台阶流下来的水流，形成漩涡对来流进行消能，但 越大，水跃过掺气坎后的抛物线越长，又容易跃过下游台阶。综合图 2 可知：越小，掺气坎前的空腔越多，越大，掺气坎后的空腔越多；同一 下，l 越小即掺气坎越靠近下游，空腔越少；掺气坎越靠近下游，水流为滑行流，对台阶的冲刷和冲击越小，水流流态越好。(a)1 号(b)2 号(c)3 号(d)4 号 灌溉排水学报 http:/ 134(e)5 号(f)6 号(g)7 号(h)8 号(i)9 号 图 4 水面线及速度矢量图 Fig.4 Water surface line and velocity vector diagram3.2 掺气效果 掺气减蚀是保护水工建筑物尤其是泄洪建筑物的一种重要措施，为使过流面不遭受空蚀破坏，需要保证掺气浓度大于有效防止发生空化空蚀的最低浓度值22-24。本溢洪道的掺气效果如图 5 所示。由图 5 可知：3 号、6 号、9 号为同类型掺气浓度更好的方案，即在同一位置中，掺气坎高度越高，则该溢洪道的掺气浓度越好；同一 下，掺气坎越靠近下游，其掺气浓度越高。综合整体台