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        博斯坦水庫表孔溢洪洞水力特性研究

        2020-05-09 12:30:12羅昌輝
        廣西水利水電 2020年2期
        關(guān)鍵詞:模型

        羅昌輝

        (新疆水利水電勘察設(shè)計研究院,烏魯木齊 830000)

        1 工程概況

        博斯坦水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)策勒縣博斯坦鄉(xiāng),該工程是阿克塞音河的控制性工程,以灌溉為主。水庫總庫容804萬m3,表孔溢洪洞布置在右岸壩肩,控制段采用WES堰,無閘控制。表孔溢洪洞側(cè)堰與側(cè)槽呈90°布置,由引渠段、側(cè)堰、側(cè)槽、調(diào)整段、上平洞段、斜井段、下平洞段、泄槽段、消能段等部分組成。表孔溢洪洞設(shè)計洪水位時,下泄流量為165.0m3s;校核洪水位時,下泄流量為245.0m3s。

        調(diào)整段長20.0 m,縱坡i=0,底板高程3 040.800 m,為8 m×10 m的城門洞斷面。上平段長148.028 m,縱坡i=0.002,底板高程3 040.800~3 040.525 m,采用城門洞型,斷面由8.0×10.0 m漸變?yōu)?.0×9.0 m。渥奇曲線段長28.645 m,曲線方程為Y=0.002X+0.02X2,底板高程3 040.525~3 028.025 m,斷面形式為8.0 m×9.0 m城門洞型。斜井段長57.429 m,縱坡i=1,底板高程3 028.025~2 987.417 m。斜井段前20 m為漸變段,斷面形式為城門洞型,斷面由8.0 m×9.0 m漸變?yōu)?.0 m×5.0 m。反弧段長15.486 m,半徑20.0 m,圓心角α=43.282°,反弧末端底板高程2 981.568 m,斷面形式為城門洞型,斷面尺寸為4.0 m×5.0 m。下平洞段長61.298 m,縱坡i=0.03,底板高程2 981.568~2 979.730 m,斷面形式為城門洞型,斷面尺寸為4.0 m×5.0 m。下平洞段末接渥奇段,渥奇段長18.862 m,曲線方程為Y=0.03X+0.004545X2,底板高程為2 979.730~2 977.579 m,斷面形式為4.0 m×5.0 m城門洞型。渥奇段后接泄槽,消力池。

        2 研究方法

        本次研究采用數(shù)學(xué)模型,利用犀牛軟件建立溢洪洞三維模型[1]、FLUENT軟件[2,3]分析計算溢洪洞水庫正常水位運(yùn)行工況下的水力特性[4]。數(shù)學(xué)模型基本參數(shù)見表1。

        表1 基本參數(shù)表

        3 研究過程

        3.1 建立三維實體模型

        在犀牛軟件中將溢洪道模型建立,保證模型的完整性以及沒有外露邊緣,確保模型為實體模型(見圖1)。

        圖1 溢洪洞三維實體模型

        3.2 模型劃分網(wǎng)格

        由于FLUENT軟件不具有前處理功能,所以必須借助其他前處理軟件,常用的有GAMBIT、ICEM、TurboGird、HyperMesh等。在本次計算中,采用ANSYS旗下自帶的ICEM前處理工具,主要包括CAD幾何建模處理、網(wǎng)格生成處理、網(wǎng)格優(yōu)化處理、網(wǎng)格輸出處理四大模塊。具有以下特色功能:豐富的幾何接口、強(qiáng)大的幾何拓?fù)涔δ?、幾何小面無關(guān)性、強(qiáng)大的六面體網(wǎng)格生成技術(shù)、四/六面體混合網(wǎng)格生成技術(shù)等。

        CFD的工作的80%是集中于前期的畫網(wǎng)格,優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格對后期的計算提供便利,所以應(yīng)當(dāng)重視畫網(wǎng)格,同時,ICEM網(wǎng)格輸出可滿足不同的求解器,如ANSYS、ABAQUS、CFX等,對ICEM的學(xué)習(xí)也為其他有限元軟件的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。網(wǎng)格不允許存在負(fù)體積,負(fù)體積網(wǎng)格將不被求解器接受,以行列式(Determinant3×3×3)為判定指標(biāo),正常網(wǎng)格取值范圍0~1,比值為1時表示完美網(wǎng)格,比值越低表示網(wǎng)格越差,對于FLUENT來說,比值0.1以上是可以接受的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分技術(shù)路線見圖2,實體模型風(fēng)格劃分見圖3。

        圖2 網(wǎng)格劃分技術(shù)路線

        圖3 實體模型網(wǎng)格劃分

        3.3 FLUENT計算

        采用有分界面的VOF模型,用來追蹤兩種或者更多不相容流體的界面位置,界面跟蹤通過求解連續(xù)方程完成,通過求出體積分量中急劇變化的點(diǎn)來確定分界面的位置。混合流體動量方程采用混合材料的物質(zhì)特性求解,因而混合流體材料物質(zhì)特性將在界面上經(jīng)歷突變。混合流體同樣考慮了湍流方程和能量方程,考慮了表面張力和壁面粘性效應(yīng)。

        利用工作站多核并行運(yùn)算,加快計算速度,在計算前期,為確保水流條件及收斂,采用固定步長,觀察計算結(jié)果調(diào)整固定步長數(shù),在計算后期采用變化步長,加快收斂速度。當(dāng)入口流量與出口流量近似一致時,就可以認(rèn)為結(jié)果收斂。

        在設(shè)計洪水位3 049.800 m時,表孔溢洪洞進(jìn)口流量為165 m3/s,進(jìn)口流速為5.876 m/s。經(jīng)過計算,其整體水面線如圖4所示。

        圖4 溢洪洞整體數(shù)學(xué)模型水面線

        為了驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠度,整體溢洪洞進(jìn)行了物理模型試驗,模型試驗水面線結(jié)果如圖5所示。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),數(shù)學(xué)模型和物理模型水面線結(jié)果基本一致,說明數(shù)學(xué)模型中的建模建立、網(wǎng)格劃分、邊界的選取是合適的。

        圖5 溢洪洞整體物理模型水面線

        4 結(jié)論

        本文采用犀牛軟件建立數(shù)學(xué)模型,ANSYS旗下自帶的ICEM前處理工具進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分,F(xiàn)LUENT軟件計算分析溢洪洞整體水力特性,得到了較好的實驗結(jié)果,并通過物理模型試驗的結(jié)果驗證,更充分說明了數(shù)學(xué)模型建立的方法及結(jié)果是合適的,對工程前期的研究設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。

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