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        水氣兩相流分段分模型數(shù)值模擬方法研究

        2021-05-31 07:28:00燕軍樂李奇龍
        廣東水利水電 2021年5期
        關(guān)鍵詞:模型

        燕軍樂,李奇龍

        (1.陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710024;2.西安理工大學(xué),陜西 西安 710048)

        1 研究背景

        通過對傳統(tǒng)的泄洪洞水平旋流洞段末端增加阻塞后進行擴散,可有效地改善起旋器局部負(fù)壓,防止空蝕空化的同時,增大泄洪洞的消能率[1]。但在旋流洞擴散段的末端受到巨大壓降和洞型變化的影響,會出現(xiàn)類似旋轉(zhuǎn)射流情況,形成復(fù)雜的強旋轉(zhuǎn)剪切混摻水氣兩相流。由于傳統(tǒng)試驗過程觀測方法的局限性影響,旋流洞內(nèi)部流態(tài)難以直觀呈現(xiàn),因此,內(nèi)流演變機理分析較難準(zhǔn)確把握。為了更準(zhǔn)確地分析水平旋流復(fù)合內(nèi)消能泄洪洞阻塞擴散段水流特性,本文采用理論分析、數(shù)值模擬與試驗研究相結(jié)合的研究方法,以旋流阻塞擴散段至氣體溢出段為研究對象,重點針對試驗研究中難以對泄洪洞內(nèi)部進行觀測的問題,開展水氣兩相流分段分模型數(shù)值模擬方法研究。

        近年來,隨著兩相流計算模型和計算機性能的不斷發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用越來越廣泛,對于強旋轉(zhuǎn)剪切混摻水氣兩相流的研究也有一定的進展。南軍虎[2]、牛爭鳴[3]、付波[4]等人對公伯峽豎井泄洪洞旋流模型試驗和原型觀測基礎(chǔ)上進行了水力學(xué)研究方法適宜性研究,張曉東[5]、郭新蕾[6]等采用了fluent軟件結(jié)合處理水氣分離VOF模型,從不同角度對公伯峽泄洪洞豎井旋流進行了整體模擬分析,付波[7]、李奇龍[8-9]、魯學(xué)蕾[10]、鄔海波[11]等人對水平旋流泄洪洞展開研究,數(shù)模結(jié)果與試驗實測數(shù)據(jù)吻合較好,丁曉唐[12]等人采用FLOW-3D軟件結(jié)合VOF模型對豎井進流水平旋流溢洪道起旋室的水力特性進行分析,得到起旋室旋流的內(nèi)部流動和參數(shù)的分布規(guī)律。

        上述研究均采用VOF單模型進行模擬仿真研究,然而VOF模型雖能夠較好的求解水氣分層流動,但難以準(zhǔn)確描述水氣混摻現(xiàn)象。綜上所述,本文將采用VOF模型與Mixture混合模型進行分段仿真模擬研究,并將混合模型、單模型數(shù)模結(jié)果與試驗結(jié)果分別對比分析,以期揭示泄洪洞水平旋流洞段內(nèi)流演變特性。

        2 計算模型

        2.1 物理模型

        水平旋流復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞由進口段、豎井段、水平旋流段、阻塞擴散段和導(dǎo)流洞段五部分組成,試驗?zāi)P偷膸缀伪瘸撸害薒=40,其體型見圖1。主要特征特征參數(shù)有:上游水位為校核洪水位為1 845.41 m,下游尾水位為1 715.07 m,最大泄流量為1 470.3 m3/s。

        圖1 水平旋流復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞體型示意(單位:m)

        2.2 數(shù)值計算紊流模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件

        紊流模型采用對具有旋轉(zhuǎn)和大反壓力梯度邊界層更為適用的Realizablek-ε雙方程紊流模型,壓力-速度耦合采用有利于計算強旋轉(zhuǎn)流收斂的PISO算法[13]。針對模擬工況中發(fā)生水氣摻混、水氣分離等復(fù)雜狀況,引入適用于模擬分層兩相流較好的VOF模型和模擬混摻兩相流較好的Mixture模型進行模擬。其中,Realizablek-ε紊流模型控制方程如下。

        連續(xù)性方程:

        (1)

        動量方程:

        (2)

        k方程:

        (3)

        ε方程:

        (4)

        本文主要對泄洪洞阻塞擴散段到氣體逸出段進行數(shù)值模擬,即樁號0+289.042 m到樁號0+711.642 m段(如圖2所示)。計算域全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時對壁面和水氣交界面附近網(wǎng)格進行加密,網(wǎng)格和邊界條件如圖3所示,計算域橫斷面網(wǎng)格如圖4所示。

        圖2 計算域示意(單位:m)

        圖3 計算域網(wǎng)格及邊界條件示意

        a 水平旋流及阻塞擴散段網(wǎng)格

        其中計算域進口邊界為水平旋流均勻段,進口流速設(shè)定采用軸對稱假設(shè),通過整體模擬數(shù)據(jù)與試驗實測數(shù)據(jù)對進口水相流速和流量進行擬合參數(shù)整定,采用fluent軟件自帶UDF自定義給出進口處軸向、徑向和切向流速。出口邊界選取流動發(fā)展充分,且水力特性沿流向方向基本不變化區(qū)域。針對本次計算,排氣孔與大氣相連,設(shè)置為壓力進口;導(dǎo)流洞出口設(shè)置在流態(tài)發(fā)展充分的后半段,亦采用壓力出口,其值由UDF自定義給出。

        3 流態(tài)模擬計算

        3.1 模型試驗流態(tài)

        模型試驗流態(tài)如圖5所示,水平旋流洞后半段,水流在切向流速、軸向流速、徑行流速共同作用下,內(nèi)部空腔受到高速水流帶動,形成空腔旋流,基本成對稱分布;阻塞擴散段,受到巨大壓降和洞型變化的影響,水流與空氣相互作用混摻,形成水氣混合流;導(dǎo)流洞段,隨著水流能量的耗散、尾水壓力以及氣體上浮的共同作用,水氣逐漸分離,導(dǎo)流洞內(nèi)流態(tài)基本穩(wěn)定。整個過流域表現(xiàn)為水氣旋流分界明顯、水氣混摻和氣體逸出3個階段,其發(fā)展過程表現(xiàn)出明顯的水氣摻混消能流態(tài)(如圖6所示)。

        a 起旋室及水平旋流段流態(tài)

        b 旋流阻塞擴散段流態(tài)

        圖6 水氣摻混消能流態(tài)示意

        3.2 單模型模擬流態(tài)圖

        采用VOF模型或Mixture模型其模擬結(jié)果如圖7~8所示,計算域可劃分為3個區(qū)域:

        ① 旋流區(qū),切向流速和軸向流速起主導(dǎo)地位,水流能夠保持高速旋轉(zhuǎn)流態(tài);

        ② 水氣混摻區(qū),斷面尺寸變大,水流厚度變薄,同時在重力和固壁條件變化的影響下,切向流速沿程降低,又與洞底折沖水流和水翅相互碰撞,造成強烈水氣混摻;

        ③ 氣體逸出區(qū),水氣摻混流在大氣和下游尾水頂托作用共同影響下,氣體沿程逸出。

        圖7 VOF模型縱斷面模擬流態(tài)示意

        圖8 Mixture模型縱斷面流態(tài)示意

        與模型試驗流態(tài)相比,采用Mixture模型在旋流區(qū)和水氣摻混區(qū)模擬流態(tài)符合較好,然而采用VOF模型在氣體逸出區(qū)模擬流態(tài)符合較好,并且VOF模型和Mixture模型氣體開始逸出位置和基本逸出位置與模型試驗相符,單模型模擬結(jié)果說明上、下游邊界條件的選取和進口假定的合理性,其能夠用于進行水平旋流復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞阻塞擴散段至氣體逸出段水氣兩相流模擬。

        3.3 分段分模型模擬流態(tài)圖

        為避免Mixture模型模擬時不能夠形成良好自由液面以及VOF模型進行模擬時不能體現(xiàn)水氣混摻的缺點,并進一步克服試驗研究及單模型模擬的局限,最終揭示水氣混摻到氣體溢出過程水流特性變化,本文將計算域劃分為兩部分,將前一段出口處的計算數(shù)據(jù)作為后一段進口的數(shù)據(jù)進行賦值,進行分段分模型模擬。基于單模型模擬結(jié)果,在旋流區(qū)和水氣摻混區(qū)采用摻混效果更好的Mixture模型,在氣體逸出區(qū)采用捕捉自由液面效果更好的VOF模型。

        采用Mixture模型模擬時,相間曳力系數(shù)采用適用雷諾數(shù)范圍更廣的Morsi and Alexander模型。分段分模型模擬縱剖面流態(tài)示意見圖9~10,水氣混摻過程橫剖面示意見圖11。

        圖9 Mixture模型旋流區(qū)與水氣摻混區(qū)縱剖面流態(tài)示意

        圖10 VOF模型氣體逸出區(qū)縱剖面流態(tài)示意

        圖11 水氣混摻過程橫剖面流態(tài)示意

        圖9和圖11清晰地展示了水氣摻混過程中流態(tài)變化過程,從水流以旋流為主的旋流區(qū)水氣分層較好,到因固壁邊界條件變化導(dǎo)致水氣摻混的水氣摻混區(qū)。相比模型試驗受到觀測條件限制,其不能觀測到洞內(nèi)水氣摻混過程流態(tài)變化,分段分模型數(shù)值模擬更為直觀地反應(yīng)了整個變化過程;相比單模型模擬結(jié)果,分段分模型模擬因模型適用性提高了結(jié)果準(zhǔn)確性,其與試驗結(jié)果更吻合。

        在氣體逸出區(qū),水氣摻混流受到洞型變化、氣體排出、導(dǎo)流洞尾水頂托和重力等共同作用影響,水流徑向流速和切向流速進一步減弱,逐漸變成淹沒流狀態(tài)(如圖10所示)。導(dǎo)流洞內(nèi)大部分氣體由第1個通氣孔排出,剩余氣體隨水流夾帶流往下游沿程排出,到第10個排氣孔處基本已經(jīng)完全排出。對比圖10與模型試驗觀測流態(tài)圖5(b),分段分模型模擬流態(tài)與模型試驗流態(tài)符合度更好。

        結(jié)合試驗觀察、單模型和分段分模型模擬流態(tài)可知:分段分模型模擬能更好地揭示旋流阻塞擴散到氣體逸出段整個流態(tài)變化過程,避免了Mixture模型和VOF模型單模型模擬時各自適用性缺點,模擬結(jié)果更為符合實際情況。

        4 結(jié)語

        本文采用理論分析、模型試驗以及單模型和分段分模型模擬相結(jié)合的方法,對水平旋流復(fù)合式內(nèi)消能泄洪洞旋流阻塞段到氣體完全逸出段進行了分析研究,得到以下結(jié)論:

        1)將流態(tài)發(fā)展相對均勻的水平旋流泄洪洞旋流均勻段作為進口邊界,結(jié)合模型試驗對流速和流量進行UDF擬合整定,并將導(dǎo)流洞氣體完全逸出段作為出口邊界。數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)果對比分析證明,上述兩種邊界條件的假定是合理的。

        2)分段分模型模擬能更好地揭示旋流阻塞擴散到氣體逸出段整個流態(tài)變化過程,避免了Mixture模型和VOF模型單模型模擬時各自適用性缺點,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度更高。

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