黨　彥，王炳軍，李紅梅，陳　剛

(1.青島濱海學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266555；

2.山東科技大學(xué) 土建學(xué)院， 山東 青島 266590； 3.安康學(xué)院， 陜西 安康 725000)

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泄洪洞工作閘室及陡坡明渠段體型優(yōu)化數(shù)值模擬

黨彥1，王炳軍2，李紅梅1，陳剛3

(1.青島濱海學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266555；

2.山東科技大學(xué) 土建學(xué)院， 山東 青島 266590； 3.安康學(xué)院， 陜西 安康 725000)

摘要：對(duì)九甸峽水電站右岸泄洪洞工作閘室，包括圓直段、圓變方段、方洞段、弧形閘門(mén)段、漸變段和明渠段流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。獲得了水面線、壓力、空化數(shù)、流速等水力要素。成功捕捉到了壓力洞出口處的水翅、突擴(kuò)跌坎處側(cè)空腔和底空腔。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出了能解決原方案負(fù)壓區(qū)嚴(yán)重和明渠陡坡空蝕破壞問(wèn)題的泄洪洞體型修改方案。

關(guān)鍵詞：泄洪洞；數(shù)值模擬；VOF法；水翅；空腔；體型優(yōu)化

泄洪洞是水利工程中常見(jiàn)的泄水建筑物，泄洪水流因流速高常伴有脈動(dòng)、負(fù)壓、空化空蝕等水力問(wèn)題，其體型設(shè)計(jì)尤為重要。泄洪洞體型的設(shè)計(jì)要同時(shí)滿足工作要求和樞紐安全[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和紊流模型的日趨成熟，數(shù)值模擬方法逐漸被工程界所接受[4-8]。采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)甘肅省九甸峽水電站右岸泄洪洞工作閘室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到了水面線、壓力、沿程空化數(shù)等重要水力特性，以期對(duì)其體型修改提供參考數(shù)據(jù)。

1九甸峽水利工程右岸泄洪洞計(jì)算模型

甘肅九甸峽水利樞紐工程右岸泄洪洞漸變段及陡坡明渠段體型具體尺寸見(jiàn)圖1。模型試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，幾何比尺λL=1/50。

1.1計(jì)算區(qū)域選取及網(wǎng)格劃分

右岸泄洪洞漸變段及陡坡明渠段(原方案)體型見(jiàn)圖1。右岸泄洪洞(原方案)計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖2。

圖1　原方案右岸泄洪洞漸變段及陡坡明渠段體型(單位：m)

圖2原方案右岸泄洪洞計(jì)算區(qū)域

特殊部位網(wǎng)格生成情況見(jiàn)圖3～圖6。對(duì)邊壁、近壁、底板、圓直段、圓變方段、弧形閘門(mén)段以及水力要素有可能變化段網(wǎng)格均進(jìn)行加密或特殊處理。計(jì)算結(jié)果表明：這種網(wǎng)格化分方法不僅提高了收斂速度，而且能較合理的捕捉到相關(guān)的水力特性。體現(xiàn)了網(wǎng)格的形式和密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的重要影響。

圖3　邊壁網(wǎng)格劃分圖

圖4　近壁網(wǎng)格劃分

圖5　圓直段和圓變方段網(wǎng)格劃分

圖6方洞段和弧形閘門(mén)段網(wǎng)格劃分

1.2紊流模型

采用k～ε紊流模型，計(jì)算方程分別表示如下：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

ρ=Fρw+(1-F)ρa(bǔ)

(5)

μ=Fμw+(1-F)μa

1.3離散方案及邊界條件

采用文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]推薦的體積控制法和二次迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，水相速度入口條件，固壁及黏性地層分別做無(wú)滑移邊界條件處理和壁函數(shù)處理。

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1水面線及水流流態(tài)

數(shù)值模擬成功獲得水氣界面線，見(jiàn)圖7～圖10。從水面線看，進(jìn)口水面平穩(wěn)，整個(gè)泄水明渠內(nèi)無(wú)大的水面波動(dòng)，但由于體型突變出口處有水翅出現(xiàn)，同時(shí)存在側(cè)空腔和底空腔，見(jiàn)圖11。

圖7　陡坡明渠段水面線比較圖

圖8　明渠段水氣界面(y=0)

圖9　沿程各橫斷面水氣界面

圖10　側(cè)墻附近剖面水氣界面(y=-2.8 m)

圖11底部空腔

2.2壓力特性

圖12顯示計(jì)算與實(shí)測(cè)底板中線壓力分布值符合較好。

側(cè)墻測(cè)壓點(diǎn)布置情況見(jiàn)圖13。計(jì)算結(jié)果表明：突擴(kuò)跌坎側(cè)墻壓力雖都為正壓分布，但壓力值較小。

圖12　底板中線壓力分布

圖13側(cè)墻測(cè)壓點(diǎn)布置

2.3流速分布

實(shí)測(cè)與計(jì)算流速分布見(jiàn)圖14。設(shè)計(jì)水位下，底部流速范圍為25 m/s～30 m/s，表面流速范圍為30 m/s～35 m/s。

2.4空化特性

空化特性見(jiàn)表1，結(jié)果顯示：明渠段易發(fā)生空蝕破壞。

表1　沿程水流空化數(shù)K計(jì)算成果

圖14典型斷面流速分布

3結(jié)論

本文對(duì)甘肅省九甸峽水電站右岸泄洪洞閘室及陡坡明渠段流場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好。原方案在設(shè)計(jì)工況下存在水翅、側(cè)空腔、底空腔等危及建筑物安全的問(wèn)題。采用參考文獻(xiàn)[11-15]中方法對(duì)其體型進(jìn)行修改，對(duì)明渠段陡坡坡度進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)，在工作閘室跌坎下游和明渠陡坡處分別加設(shè)通氣孔輸入空氣，較好地解決了原方案中負(fù)壓區(qū)嚴(yán)重和明渠陡坡的空蝕破壞現(xiàn)象。調(diào)整后的推薦方案體型如圖15所示。推薦方案下水流流態(tài)明顯好于原方案，本例說(shuō)明了數(shù)值模擬方法在同類(lèi)型建筑物體型優(yōu)化中可以發(fā)揮重要作用。與傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬方法速度快，花費(fèi)少，具有一定的借鑒價(jià)值。

圖15推薦方案右岸泄洪洞漸變段及陡坡明渠段體型(單位：m)

參考文獻(xiàn)：

[1]花立峰.導(dǎo)流泄洪洞泄洪消能問(wèn)題研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，9(1)：47-50．

[2]鄧建偉，花立峰，安夢(mèng)雄．龍?zhí)ь^式泄洪洞體型設(shè)計(jì)與泄洪消能問(wèn)題研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2013，11(3)：165-168．

[3]劉小良，張朋鶴，王鑫．龍?zhí)端畮?kù)導(dǎo)流泄洪洞運(yùn)行水力特性研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2015，13(4)：159-161．

[4]廉玲軍，王韋，徐威，等．洞塞泄洪洞的3維數(shù)值模擬研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2011,43(3)：1-6．

[5]南洪，賀威，韓鵬輝，等．查日扣水電站豎井旋流泄洪洞水力學(xué)數(shù)值模擬研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2015，13(5)：204-207.

[6]南洪，賀威，韓鵬輝，等．豎井旋流泄洪洞消力井深度對(duì)豎井消能率影響的數(shù)值模擬研究[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(5)：133-136．

[7]葛晨，牛爭(zhēng)鳴，李奇龍，等．泄洪洞內(nèi)具有阻塞與擴(kuò)散段的水平旋流消能方式水力特性的試驗(yàn)與數(shù)值模擬(2)[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34(1)：73-78.

[8]黃浩，張昌兵，幸智．二灘水電站1號(hào)泄洪洞水力特性與摻氣減蝕的三維數(shù)值模擬[J]．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2011，22(6)：168-170.

[9]武利龍，黃萌，陳斌．基于自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的VOF方法[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32(11)：1863-1865.

[10]呂緒明，徐一民，喬梁，等．泄洪洞突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施水力特性研究[J]．中國(guó)農(nóng)村水利水電，2015(8)：152-157.

[11]馬旭東，戴光清，楊慶，等．突擴(kuò)突跌摻氣射流對(duì)泄洪洞側(cè)墻水力特性的影響[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，31(3)：142-147.

[12]牛爭(zhēng)鳴，南軍虎，洪鏑．一種新型摻氣設(shè)施的試驗(yàn)研究[J]．水科學(xué)進(jìn)展，2013,24(3)：372-378.

[13]張志學(xué)．新疆某水利樞紐工程底孔工作閘室體型優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．水利科技與經(jīng)濟(jì)，2013,19(8)：62-64.

[14]張宏偉，劉之平，張東，等．高水頭大流量泄洪洞側(cè)壁摻氣設(shè)施水力特性研究[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34(10)：111-116.

[15]張勇，劉韓生，汪洋，等．型窄縫挑坎在水電站導(dǎo)流泄洪洞中的應(yīng)用[J]．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2015，26(4)：149-152．

Numerical Simulation of Working Chamber of Flood Discharging Tunnel and Open Channel

DANG Yan1， WANG Bingjun2， LI Hongmei1， CHEN Gang3

(1.InstituteofCivilEngineering，QingdaoBinhaiUniversity，Qingdao,Shandong266555,China；2.CollegeofCivilEngineering&Architecture,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao，Shandong266590,China； 3.AnkangUniversity,Ankang,Shaanxi725000,China)

Abstract：The numerical simulation of Jiudianxia hydropower station right bank spillway tunnel working chamber was carried out. The simulated area covers the working chamber of flood discharging tunnel, round-straight region, round changing square region, square hole region, tainter valve region, transition region, and open channel section. The obtained hydrodynamic characters include the depth of flow, pressure distribution, variation of cavitation, velocity distribution and the velocity distribution along the flood discharge tunnel. Water-wing, sudden enlargement drop-sill, side cavity and bottom of the cavity have been successfully obtained. Comparison between the numerical results and model test data shows a satisfactory agreement. Based on these results, some suggestions which can successfully solve the burden problems and the cavitation erosion have been proposed for the modification of the spillway tunnel.

Keywords:spillway tunnel; numerical simulation; VOF method; water-wing; cavities; optimal design

中圖分類(lèi)號(hào)：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2016)02—0163—04

作者簡(jiǎn)介：黨彥(1981—)，女，陜西韓城人，講師，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究工作。 E-mail: dangyanqd@sohu.com。通信作者：王炳軍(1977—)，男，山東濰坊人，講師，主要從事巖體斷裂力學(xué)邊界元方法研究方面的工作。E-mail: bingjun.wang@sohu.com

收稿日期：2015-12-31修稿日期：2016-02-05

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.02.032