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        溢洪道明渠擴(kuò)散段三角翼優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

        2019-11-07 11:15:38
        中國(guó)水能及電氣化 2019年10期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化模型研究

        (遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司東源電廠,遼寧 桓仁 117200)

        水利水電工程中,擴(kuò)散過渡段的位置和形態(tài)會(huì)直接影響到工程的安全運(yùn)行,必須認(rèn)真設(shè)計(jì)和施工[1]。當(dāng)前,在水利水電工程設(shè)計(jì)中,為了滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于擴(kuò)散段擴(kuò)散角的要求,一般會(huì)采取增加過渡段長(zhǎng)度的方式。但是,在部分水利水電工程建設(shè)中,受壩址區(qū)地質(zhì)以及空間限制,不得不使用較短的擴(kuò)散段長(zhǎng)度,而選擇大擴(kuò)散角過渡[2]。但是,相關(guān)學(xué)者的理論研究和工程實(shí)踐也證明,如果擴(kuò)散段的擴(kuò)散角過大,邊界對(duì)水流的影響作用就會(huì)顯著增強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致水流斷面的能量分布不均,導(dǎo)致顯著的側(cè)壁回流、邊界脫流以及主流偏流等問題,從而影響水工建筑物的正常使用,情況嚴(yán)重的還會(huì)危及水工建筑物的安全[3]。由此可見,對(duì)于沒有足夠空間布置小擴(kuò)散角過渡段的水利水電工程,如何對(duì)大擴(kuò)散角條件下的水流進(jìn)行控導(dǎo)和干預(yù)是亟待解決的工程問題,而這也正是當(dāng)前水利工程建設(shè)領(lǐng)域的薄弱之處,該領(lǐng)域的研究成果也必將具有巨大的理論和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)表明,在擴(kuò)散段設(shè)置潛沒式三角翼能夠?qū)υ摬课坏乃w流動(dòng)起到有效的控制作用,屬于比較有效的控導(dǎo)手段,但是如果三角翼設(shè)置不合理,仍會(huì)產(chǎn)生比較明顯的回流區(qū)[4]。因此,有必要對(duì)三角翼對(duì)擴(kuò)散段的水流控導(dǎo)效果進(jìn)行深入研究。

        1 工程概況

        猴山水庫位于遼寧省綏中縣范家鄉(xiāng)趙家甸村境內(nèi)的狗河上,下游距離綏中縣城約35km。該水庫的主要任務(wù)是城市供水,同時(shí)兼具防洪和下游農(nóng)業(yè)灌溉條件改善功能。猴山水庫的設(shè)計(jì)庫容為1.6億m3,工程等別為Ⅱ等。水庫的永久性建筑物主要包括大壩、副壩、溢洪道和輸水設(shè)施。猴山水庫溢洪道位于大壩左岸的臺(tái)地上,其軸線基本與大壩軸線垂直,全長(zhǎng)372m,自上游至下游分別劃分為導(dǎo)流段、控制段、泄槽段和擴(kuò)散消能段。

        2 計(jì)算模型的構(gòu)建

        2.1 幾何模型的選擇及構(gòu)建

        選擇猴山水庫工程溢洪道明渠擴(kuò)散段作為研究原型,考慮本文研究的重點(diǎn)與計(jì)算的復(fù)雜程度,幾何模型選擇的是溢洪道擴(kuò)散段以及上游的直線窄段50m和下游直線寬段120m。

        模型創(chuàng)建是流體數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合本次研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)以及相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn),采用AutoCAD三維建模軟件進(jìn)行研究對(duì)象的幾何建模,利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建[5]。一般情況下,模型的網(wǎng)格劃分越密集,計(jì)算精度越高,但計(jì)算量會(huì)急劇增大,因此,本文對(duì)三角翼部分采用混合網(wǎng)格劃分[6],最終獲得294110個(gè)網(wǎng)格單元,244268個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

        2.2 邊界條件

        結(jié)合本次研究的實(shí)際情況以及平面大擴(kuò)散角銜接過渡段流動(dòng)數(shù)值模擬研究的相關(guān)成果,設(shè)定如下邊界條件:對(duì)于模型的入口選取液相速度入口邊界條件與氣相壓力入口邊界條件[7]。具體而言,根據(jù)模型入口部位的設(shè)計(jì)流量,計(jì)算入口邊界均勻來流條件。對(duì)于模型的出口,設(shè)置壓力出口邊界條件,根據(jù)猴山水庫下游的實(shí)測(cè)水位設(shè)置水流自由面的高程,本次研究的模擬工況全部為平面大擴(kuò)散段兩相流問題,模型下游出口處的水流可以自由發(fā)展,沒有回流現(xiàn)象出現(xiàn);模型設(shè)置為無滑移的固壁邊界條件。

        3 三角翼數(shù)值模擬優(yōu)化研究方案

        3.1 優(yōu)化研究的關(guān)鍵參數(shù)

        擴(kuò)散段三角翼的幾何體型特征主要受如下參數(shù)控制[8]:?分流度α,一般情況下該角應(yīng)設(shè)定為單側(cè)擴(kuò)散角的兩倍,同時(shí)要保證與來流適應(yīng);?三角翼的潛沒度h,增大三角翼的高度有利于提高水流控制能力,但同時(shí)會(huì)增大水力損失,從而在三角翼的后部產(chǎn)生回流區(qū);?三角翼的長(zhǎng)度,也就是控導(dǎo)度η,該參數(shù)主要影響三角翼的控導(dǎo)范圍,可以對(duì)擴(kuò)散段的水流流態(tài)以及水流動(dòng)量的調(diào)整強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響;?三角翼的攻角,也稱攻流度θ,也就是三角翼的翼弦與擴(kuò)散段來流之間的夾角,其大小可以對(duì)匹流和控導(dǎo)效果產(chǎn)生直接影響。此外,三角翼的豐滿度b、回流度φ以及位置度λ也是影響三角翼幾何體型的重要因素。

        3.2 模擬研究方案設(shè)計(jì)

        目前,水利工程研究中三角翼的體型參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬方案并不明確,因此,本次研究基于所提出的主要控制參數(shù),探索三角翼體型優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方案,為研究的順利進(jìn)行打下良好基礎(chǔ)。在工程研究中,控制變量法是針對(duì)多因素問題的有效研究方法,理論上,我們可以通過上述方法尋求每個(gè)三角翼控制參數(shù)的最優(yōu)值,并最終確定出三角翼體型設(shè)計(jì)的最佳方案。在具體的研究方案設(shè)計(jì)中,結(jié)合相關(guān)研究成果,從方便后期結(jié)果分析考慮,僅對(duì)控導(dǎo)度、攻流度兩個(gè)無量綱控制變量進(jìn)行優(yōu)化研究,研究方案見表1。

        表1 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

        4 模擬計(jì)算結(jié)果分析

        4.1 攻流度模擬計(jì)算結(jié)果

        利用構(gòu)建的模型,對(duì)不同攻流度條件下的溢洪道擴(kuò)散段流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果顯示:利用a型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí),水流的流態(tài)和整體分布比無控導(dǎo)條件下表現(xiàn)更為穩(wěn)定,回流區(qū)長(zhǎng)度明顯減小,強(qiáng)度也有所降低。但是在邊壁的部分區(qū)域產(chǎn)生一定的邊界層分離現(xiàn)象,兩側(cè)均出現(xiàn)了范圍較大的不對(duì)稱型漩渦,主流位置存在一定程度的偏移,流速的不均勻性仍舊較大。在利用b型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí),水流的流態(tài)和整體分布與a型基本相同,但是兩側(cè)漩渦的范圍區(qū)強(qiáng)度有所增加且中心有向下推移的趨勢(shì),下游主流受兩側(cè)剪切擠壓,擺動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象比較明顯;在利用b型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí),兩側(cè)邊壁部位的動(dòng)量明顯增加,邊界層分離不復(fù)存在,下游主流偏移現(xiàn)象消失,但在翼后方存在范圍不大的回流區(qū),使單寬動(dòng)量不均勻度增大,影響范圍也顯著增加,呈現(xiàn)出矯枉過正的情況。

        為了對(duì)擴(kuò)散段三角翼控導(dǎo)效果進(jìn)行定量分析,根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果繪制出不同計(jì)算工況下的各個(gè)計(jì)算斷面的水流單寬動(dòng)量不均勻度變化曲線(見圖1),由圖1可知,b型三角翼的控導(dǎo)效果最優(yōu),因此,就本次研究的猴山水庫溢洪道擴(kuò)散段而言,攻流度的優(yōu)化取值為0.75,也就是取67.5°的攻流角。

        圖1 不同攻流度斷面單寬動(dòng)量不均勻度

        4.2 控導(dǎo)度模擬計(jì)算結(jié)果分析

        利用構(gòu)建的模型,對(duì)不同控導(dǎo)度條件下的溢洪道擴(kuò)散段流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果顯示:利用d型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí),擴(kuò)散段邊壁位置不存在明顯的邊界分離,主流也不存在偏移現(xiàn)象。但是,在三角翼的后方存在一定范圍的匯流區(qū),水流流速呈現(xiàn)出兩側(cè)大中間小的特征,由于兩側(cè)水流速度較大,造成左右激蕩作用明顯。利用e型三角翼體型設(shè)計(jì)時(shí),在溢洪道擴(kuò)散段的左側(cè)存在呈條帶狀分布的回流區(qū),并且隨著三角翼長(zhǎng)度的增加,在三角翼的后部和右側(cè)出現(xiàn)了一定范圍的弱流區(qū),在一定程度上降低了擴(kuò)散段的過流能力。

        為了對(duì)擴(kuò)散段三角翼控導(dǎo)效果進(jìn)行定量分析,根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果繪制出b、d、e型工況下各個(gè)計(jì)算斷面的水流單寬動(dòng)量不均勻度變化曲線(見圖2),由圖2可知,d型三角翼的控導(dǎo)效果最優(yōu),因此,就本次研究的猴山水庫溢洪道擴(kuò)散段而言,攻流度的優(yōu)化取值為0.75,也就是取67.5°,控導(dǎo)度的最優(yōu)取值為0.40,也就是三角翼的長(zhǎng)度為4m,可滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于擴(kuò)散段擴(kuò)散角的要求。

        圖2 不同控導(dǎo)度斷面單寬動(dòng)量不均勻度

        5 結(jié) 論

        本次研究以遼寧省猴山水庫溢洪道擴(kuò)散段為工程背景,利用CFD和FLUENT軟件對(duì)大擴(kuò)散角條件下的三角翼優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。研究中結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實(shí)際,提出擴(kuò)散段三角翼的幾何體型特征的主要控制參數(shù),對(duì)控導(dǎo)度、攻流度兩個(gè)無量綱控制變量進(jìn)行優(yōu)化研究。結(jié)果顯示:針對(duì)背景工程,攻流度的優(yōu)化取值為0.75,也就是取67.5°,控導(dǎo)度的最優(yōu)取值為0.4,也就是三角翼的長(zhǎng)度為4m。

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