江玫瑰
(中鐵十四局集團第二工程有限公司,山東 泰安 271000)
泄水閘是水利樞紐中一種較為常見的泄水構(gòu)筑物,當(dāng)水庫中的水超過境界水位時,開閘使水流通過排沙洞自由下泄。水流泄放速度過大,會對下游建筑物或大壩本身的安全構(gòu)成威脅,泄放速度太小,又會降低排沙功效。因此,需要降低水流動能,將流速控制在一定范圍內(nèi)。金瑾等[1]采用Fluent軟件,發(fā)現(xiàn)了紊動能及紊動耗散率的變化規(guī)律;戴光清等[2]運用三維模擬軟件,修正了紊流模型系數(shù);陳群[3]通過VOF法,建立了k-ε紊流模型,模擬出水流的水面線、流速場、壓強場等;高夢露[4]通過采用Fluent軟件,借助結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和PISO算法,構(gòu)造了兩方程k-ε紊流模型和VOF模型,通過追蹤自由水面線的位置,得到了鋸齒狀泄水閘的流速場、沿程壓強變化及沿程水面線變化規(guī)律;針對消力池長度不足、泄流量高于消能防沖流量時泄槽局部出現(xiàn)不良水力現(xiàn)象,周蘇芬等[5]通過模型試驗,優(yōu)化了溢洪道除險加固方案,實踐證明消除了泄槽內(nèi)水翅現(xiàn)象,提高了總消能率;Ohtsu I等[6]研究了鋸齒狀泄水閘在滑行流及跌落流兩種狀態(tài)下的時均壓強,認為其大小隨上游來流單寬流量的增大而增大;張峰等[7]結(jié)合鋸齒狀溢洪道水力學(xué)模型試驗,引入了單寬消能功率和相對消能率的概念,總結(jié)了臺階高度與消能率之間的變化規(guī)律。
昆明高海尾水泵站擴容工程位于現(xiàn)有高海尾水泵站北側(cè),西園隧洞進口明渠段南側(cè),呈長條形布置,建造目的是為了實現(xiàn)各類合流水轉(zhuǎn)輸、削減滇池污染負荷、保障湖體水質(zhì)。為便于泵站出水,須在西園隧洞喇叭口段新建一座閘壩。壩頂高程1 888.0 m,最大壩高5 m,壩頂長度36 m,中部設(shè)置泄水建筑物,由2孔泄水閘組成,閘孔設(shè)平板工作門一道,孔口尺寸7.5 m×4 m(寬×高),閘門上方設(shè)置啟閉機室用于控制閘門啟閉。泄水閘示意如圖1所示。
本文采用Fluent軟件中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型進行數(shù)值模擬計算[8],其基本控制方程如下。
連續(xù)方程:
(1)
動量方程:
(2)
k方程:
(3)
ε方程:
(4)
(5)
(6)
其中,ρ為體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均密度;t為時間;μ為體積分?jǐn)?shù)進行加權(quán)平均得出的分子黏性系數(shù);μt為湍動黏度;Gk為由于平均流速梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項,σk=1.0,σε=1.3;C1ε,C2ε,Cμ均為經(jīng)驗常數(shù),取值為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09。
建立的數(shù)學(xué)模型分為三段,各段尺寸如表1所示,進口部位的流量設(shè)定為5檔。
表1 數(shù)學(xué)模型設(shè)置
3.2.1 網(wǎng)格的劃分
為保證計算精度,采用四面體網(wǎng)格劃分。四面體網(wǎng)格適應(yīng)能力較強,適合各種曲度的幾何模型。由于入口處的面積相對于整個計算域非常小,對于入口附近區(qū)域需要采用加密網(wǎng)格,并與周圍網(wǎng)格進行光滑過渡銜接。
3.2.2 自由面的確定
鋸齒狀泄水閘水流大多為暗流,但由于拱頂相對較高,因此具有自由液面,尤其對于紊流,水流水面復(fù)雜多變且形狀極不規(guī)則,因此,對紊流自由液面的處理比較困難。本文采用體積率函數(shù)法,即VOF法[9]對自由液面進行追蹤。
VOF法由Hirt和Nichols于1975年提出,引入變量體積分?jǐn)?shù)這一概念[10],用其體積分?jǐn)?shù)確定流體的自由表面位置,適合于兩種或兩種以上沒有互相滲透的流體。VOF法中,為計算區(qū)域內(nèi)某相體積和區(qū)域體積的相對比例,同時為確定自由表面,引入了體積函數(shù)F(x,y,z,t),它通過坐標(biāo)及時間表示。若F=1,表示該區(qū)域充滿了該相流體;若F=0,表示該區(qū)域不含該相流體;若0 (7) 其中,αw為計算域的體積分?jǐn)?shù);t為時間;μt為速度分量;xw為坐標(biāo)分量。 VOF方法的優(yōu)點為計算精確度高,計算效率高,所占內(nèi)存少,所以成為兩相流流體模擬中處理自由液面的常用方法。 將模擬得到流速值與實測流速值對比,得出五種不同流量下的平均流速對比如圖2所示。由圖2可知,模擬流速值與實測流速值較接近,最大相對誤差約為10%,整體吻合良好,說明用Fluent軟件模擬泄水閘鋸齒狀消能工消能特性是可行的。此外,還可看出,水流從第一個斷面流出后,流速逐漸增大,再略減小,最后趨于穩(wěn)定,這與物理試驗觀察到的現(xiàn)象相一致。 臺階豎直面的模擬壓強分布如圖3所示,由于工況較多,每種工況下又有六個臺階,每個臺階的豎直面壓強分布規(guī)律相似,選取其中一個臺階進行分析,本文選擇流量為50 m3/h時第三級臺階上的豎直面進行分析,橫坐標(biāo)為臺階豎直面某處位置,x為某一位置臺階高度,H為臺階總高度。由圖3可知,在臺階豎直面上,底部壓強最大,自下至上逐漸減小,約在臺階豎直高度的80%處出現(xiàn)負壓,是由于此處的漩渦水流和壁面出現(xiàn)分離所致。同時還可看出,隨著流量的增大,同一臺階豎直面上最大正壓值增大,最大負壓值減小。 鋸齒狀泄水閘的水面線沿程分布規(guī)律可以通過自由水面線高度來反映,模擬值與實測數(shù)值對比如圖4所示。 由圖4可知,兩者吻合度較高,最大誤差不超過10%,前三個臺階比后三個臺階的一致性更強,流量一定時,水流由臺階前的水平段進入第一級臺階后,鋸齒狀泄水閘的自由水面先略有升高又逐漸降低,泄水閘臺階段水流的自由表面和泄水閘的坡度基本平行;在最后一級臺階以后的水平段,水躍導(dǎo)致水流翻滾,摻入大量空氣,導(dǎo)致泄水閘水深增加;不同流量時,臺階后水平段的水深高低與上游流量的大小成正比。 模擬與實測得到的鋸齒狀泄水閘的消能率對比如圖5所示??梢钥闯?,實測值與模擬值的最大相對誤差不超過8%,表明二者吻合度較好。同時可知,模擬和實測得到的鋸齒狀泄水閘的消能率都隨著流量增大而降低。由圖5可知,鋸齒狀泄水閘的消能率隨流量的增大而減小,最大可達70%,表明其消能效率遠遠大于傳統(tǒng)光滑泄洪洞的消能率。 采用數(shù)值模擬,對泄水閘鋸齒狀消能工的消能特性進行了研究,得出如下結(jié)論: 1)鋸齒狀泄水閘的流速在垂直水流和順?biāo)鲀蓚€方向呈現(xiàn)一定規(guī)律:垂直水流方向,流速自上至下逐漸減小,且其變化規(guī)律與光滑泄水閘不完全一致;順?biāo)鞣较颍爻塘魉傧仍龃蠛鬁p小,最后趨于穩(wěn)定;兩個臺階形成的三角區(qū)域之間會產(chǎn)生漩渦,漩渦成順時針流動(在南半球可能成逆時針流動),漩渦自中心向外流速逐漸增大,流速從臺階的外側(cè)向隅角逐漸減小,說明臺階隅角內(nèi)發(fā)生能量損失。 2)水面線在臺階的首端均呈現(xiàn)“先降后升”的趨勢,最后趨于穩(wěn)定,但整體上沿程起伏,流量越大,水面線起伏越劇烈;同一流量下,后三個臺階較前三個臺階的水面線起伏更明顯;臺階段的末端湍動能達到最大,其紊動強度也達到最大。4 鋸齒狀泄水閘的流速場
5 鋸齒狀泄水閘的壓強場
6 水面線的沿程分布
7 消能效率對比
8 結(jié)論