毛家河水電站溢洪道三維數(shù)值模擬

毛家河水電站溢洪道三維數(shù)值模擬

毛家河電站位于湖北省興山區(qū)毛家河上。水庫(kù)位于古福市馬家河和中陽(yáng)敖村的交匯處。主要用于發(fā)電。泄洪建筑物采用開(kāi)敞式岸邊溢洪道,布置于左壩肩,共設(shè)2孔,由進(jìn)水渠、閘室、泄槽及挑流鼻坎四部分組成,單孔尺寸為9.0m×12.0m(寬×高),堰頂高程558.00m。溢洪道泄流量較大,達(dá)1246(P設(shè)計(jì)=2%)～2381m3/s(P校核=0.1%)。由于受地形、地質(zhì)條件的影響,溢洪道軸線(xiàn)與河道交角僅約23°,而下游河道極為狹窄,河床基巖抗沖流速較低,尤其溢洪道鼻坎下游有較厚的疏松覆蓋層,抗沖能力更弱,為使挑射水流入水點(diǎn)盡可能位于河道中部并使水流分散,減輕水流對(duì)河床及兩岸岸坡的沖刷,需對(duì)溢洪道合理的消能結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入研究。目前對(duì)溢洪道泄流的研究主要采用物理模型試驗(yàn)結(jié)合理論分析的方法來(lái)解決,隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,采用該技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)各種復(fù)雜水流現(xiàn)象已越來(lái)越多,并取得了較好效果。鑒此,本文以毛家河水電站溢洪道為例,采用RNGκ-ε湍流模型并結(jié)合VOF方法追蹤自由水面,使用CFD商業(yè)軟件FLUENT對(duì)溢洪道的泄流消能進(jìn)行了多種方案的三維數(shù)值模擬,以尋求較優(yōu)的泄洪消能形式。1數(shù)學(xué)模型1.1考慮到水為不可壓縮流體,采用RNGκ-ε紊流模型,其控制方程時(shí)均形式如下。連續(xù)性方程:?p/?t+div(ρu)=0(1)動(dòng)量(Navier-Stokes)方程:標(biāo)量φ的輸送方程:?(ρφ)/?t+div(ρˉuφ)=div(ρuˉφ)=div(Γgradφ)+[-?(ρˉu′φ′)?x-?(ρˉv′φ′)?y-?(ρˉw′φ′)?z]+S(3)φ)+[??(ρu′φ′ˉˉˉˉˉˉ)?x??(ρv′φ′ˉˉˉˉˉˉ)?y??(ρw′φ′ˉˉˉˉˉˉˉ)?z]+S(3)湍動(dòng)能κ輸送方程:?(ρk)?t+?(ρkui)?xi=??xj[αkμeff?k?xj]+Gk+ρε(4)耗散率ε輸送方程:?(ρε)?t+?(ρεui)?xi=??xj[αεμeff?ε?xj]+C*1εεGk/k-C2ερε2/k(5)其中μeff=μ+μt;μt=ρCμ(k2/ε)Cμ=0.0845;αk=αε=1.39C*1ε=C1ε-[η(1-η/η0)/(1+βη3)]C1ε=1.42;C2ε=1.68;η=(2EijEij)1/2k/εEij=12(?ui?xj+?uj?xi);η0=4.377;β=0.012式中,字母含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)。動(dòng)量方程中有一個(gè)與-ˉui′uj′有關(guān)的項(xiàng),即雷諾應(yīng)力項(xiàng)τij(τij=-ρˉui′uj′),τij實(shí)際對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的雷諾應(yīng)力項(xiàng)(即3個(gè)正應(yīng)力和3個(gè)切應(yīng)力),加上時(shí)均未知量ux、uy、uz、P和φ,共11個(gè)未知量。通過(guò)引入湍動(dòng)粘度μt及κ-ε輸送方程,將湍流速度的脈動(dòng)值與時(shí)均值等聯(lián)系起來(lái),從而使方程組封閉。1.2采用piso算法的優(yōu)勢(shì)本文計(jì)算域采用有限體積法進(jìn)行離散,壓力速度耦合采用PISO算法,與常用的SIMPLEC算法相比,PISO算法允許更大的時(shí)間步長(zhǎng)及歪斜比,同時(shí)增強(qiáng)了網(wǎng)格偏斜及臨近校正,且在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)計(jì)算精度高于SIMPLEC算法,由于PISO算法執(zhí)行了兩級(jí)校正,從而加速了收斂速度。壓力離散方式為BodyForceWeighted,動(dòng)量、湍動(dòng)能及耗散率采用FirstOrderUpwind,體積分?jǐn)?shù)采用Geo-reconstruct,待計(jì)算初具規(guī)模,調(diào)整動(dòng)量、湍動(dòng)能及耗散率至二階迎風(fēng)格式,以進(jìn)一步獲取高精度計(jì)算結(jié)果。1.3堰堰面結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分為便于采用物理模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證并滿(mǎn)足后續(xù)數(shù)值計(jì)算的需要,本文選取毛家河水電站溢洪道進(jìn)口引渠段、溢流堰段、泄槽段、挑坎段及下游挑坎出口以下河道長(zhǎng)150m,高程由河床481～535m作為模擬范圍。進(jìn)口渠底高程為553.00m,溢流堰堰面曲線(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的WES曲線(xiàn),堰頂高程為558.00m,堰高為5.00m,溢洪道設(shè)兩個(gè)閘孔,每個(gè)閘孔凈寬9.00m,底坡均為i=0.25,鼻坎反弧半徑均為40.00m,挑角均為15°。根據(jù)方案的不同采用不同型式的挑流鼻坎,其網(wǎng)格劃分也略有差別。由于本文模擬計(jì)算域較大,為了能反映溢洪道泄流的真實(shí)情況,對(duì)上游引渠網(wǎng)格劃分間距為1.00m,同時(shí)為保證溢流堰面的計(jì)算精度,對(duì)溢流堰進(jìn)口段局部加密最小網(wǎng)格劃分間距為0.30m,將溢流堰段劃分為多個(gè)相對(duì)規(guī)則的計(jì)算域,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)排列有序,且計(jì)算效率高,故本文對(duì)計(jì)算域子塊均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,泄槽段水流較穩(wěn)定,網(wǎng)格間距相對(duì)較大(為1.50m),為準(zhǔn)確反映挑坎段流場(chǎng)參數(shù)分布,對(duì)挑坎段網(wǎng)格加密,間距為0.30m,計(jì)算域網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。1.4邊境條件(1)堅(jiān)固墻的邊界壁面采用無(wú)滑移邊界條件,近壁邊界采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)處理。(2)單次湍流特征長(zhǎng)度計(jì)算上游入口采用壓力進(jìn)口邊界條件,并給出湍動(dòng)能κ和耗散率ε。由經(jīng)驗(yàn)公式得出κ=0.00375u2、ε=k1.5/(0.4L)(u為斷面平均流速,L為湍流特征長(zhǎng)度,一般取水力直徑DH)。上邊界采用壓力進(jìn)口邊界條件。(3)出口限制出口采用壓力出口邊界條件,壓力值為大氣壓,即表壓為0。(4)用vof法處理自由表面數(shù)值計(jì)算以進(jìn)出口流量差小于0.5%作為衡量計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。2庫(kù)位設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)值計(jì)算對(duì)溢洪道泄流量Q分別為747(P=5%)、1246m3/s(P設(shè)計(jì)=2%),相應(yīng)庫(kù)水位分別為565.52、568.53m兩種運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并與相應(yīng)物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。2.1計(jì)算結(jié)果分析表1為毛家河水電站溢洪道泄流能力數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較。由表可看出,數(shù)值模擬計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好,計(jì)算所得的泄流能力較模型試驗(yàn)值稍大,其原因在于物理模型受比尺效應(yīng)的影響,數(shù)值可能偏小,但最大相對(duì)誤差僅3.37%。2.2模型試驗(yàn)的數(shù)值值與試驗(yàn)值的比較泄流量Q為747、1246m3/s時(shí),左孔中心線(xiàn)水面線(xiàn)計(jì)算值與試驗(yàn)值比較見(jiàn)圖2。由圖可看出,數(shù)值模擬計(jì)算值與模型試驗(yàn)值吻合較好。溢洪道泄洪流態(tài)見(jiàn)圖3,從圖中可明顯看到水氣兩相流分界面(水面線(xiàn)位置取摻氣濃度為50%的水氣交界面),其流態(tài)與模型試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。2.3左孔色積計(jì)算模型溢洪道底板壓力計(jì)算一直是泄水建筑物的設(shè)計(jì)重點(diǎn),尤其是負(fù)壓的出現(xiàn)可能產(chǎn)生空蝕破壞,進(jìn)而危及建筑物安全。泄流量Q為747、1246m3/s時(shí),左孔中心線(xiàn)底板壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較見(jiàn)圖4。由圖可看出:①溢流堰底板壓力數(shù)值模擬計(jì)算值與模型試驗(yàn)值吻合較好,由于該段在網(wǎng)格劃分時(shí)采取分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格且網(wǎng)格較密,因此計(jì)算結(jié)果較為精細(xì)。②由于模型試驗(yàn)受測(cè)點(diǎn)布置及其他因素的限制,不可能布置較多測(cè)點(diǎn),因此只能得到部分測(cè)點(diǎn)的壓力,而數(shù)值計(jì)算能獲取底板上任一點(diǎn)的壓力,這為溢洪道的設(shè)計(jì)提供了更為全面的數(shù)據(jù)。2.4等值線(xiàn)分布圖5為Q=747m3/s時(shí)左、右槽出口斷面的流速等值線(xiàn)分布。由圖可看出,最大流速主要集中于挑坎中心線(xiàn)附近,左、右槽出口最大流速均達(dá)28m/s,左槽出口表速比右槽出口表速略大,這與模型試驗(yàn)量測(cè)值較為吻合。3采用分段流消除能計(jì)算方案和數(shù)值計(jì)算3.1鼻坎加量計(jì)算為使毛家河水電站溢洪道挑射水流入水點(diǎn)盡可能位于河道中部且水流分散,減輕水流對(duì)下游河床及兩岸岸坡的沖刷,數(shù)值計(jì)算主要采用設(shè)計(jì)流量(P設(shè)計(jì)=2%)Q=1246m3/s,根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,對(duì)溢洪道全域及下游河道進(jìn)行了多個(gè)方案的挑流數(shù)值計(jì)算,以尋求較優(yōu)的挑流消能工形式,具有代表性的三個(gè)方案如下:①方案1(圖6(a))。挑流鼻坎采用等寬連續(xù)式鼻坎,鼻坎反弧半徑為40.00m,挑坎坎頂高程為517.04m,挑角為15°,挑坎末端邊墻墻頂高程為523.04m;由于溢洪道泄洪時(shí)閘墩尾端會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的水翅現(xiàn)象,從而影響溢洪道泄流流態(tài),為消減水翅影響,在閘墩尾部設(shè)置了一個(gè)高程為549.50m、順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度為6m的潛墩。②方案2(圖6(b))。挑流鼻坎采用不等高擴(kuò)散斜挑坎,鼻坎反弧半徑為40.00m,左側(cè)挑坎坎頂高程為517.04m,挑角為15°,挑坎末端邊墻墻頂高程為523.04m,右側(cè)挑坎坎頂高程為514.76m,挑角為15°,挑坎末端邊墻墻頂高程為521.46m;閘墩尾部仍設(shè)置一個(gè)高程為549.50m、順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度為6m的潛墩。③方案3(圖6(c))。溢洪道槽身中心線(xiàn)設(shè)置中隔墻將下泄水流分隔為左、右槽兩部分;各槽挑流鼻坎采用等寬連續(xù)式鼻坎,鼻坎反弧半徑為40.00m,左槽挑坎坎頂高程為510.02m,挑角為15°,挑坎末端邊墻墻頂高程為521.46m;右槽挑坎坎頂高程為514.76m,挑角為15°,挑坎末端邊墻墻頂高程521.46m。3.2河流水岸坡挑射方案2:平臺(tái)型圖7為方案1～3挑距分布及槽身流態(tài)。由圖可看出:①方案1挑坎出口高程等高布置,溢洪道進(jìn)口段水流較為平穩(wěn);槽身段雖設(shè)置了潛墩仍出現(xiàn)水翅,水翅最高約為1.35m,沿泄槽延伸約54.00m,之后水面趨于穩(wěn)定,水翅的出現(xiàn)使槽身段表面水流不太穩(wěn)定,表面水流有一定的折沖現(xiàn)象,對(duì)溢洪道的泄流能力稍有影響,同時(shí)水面波動(dòng)對(duì)導(dǎo)墻的高度及安全不利,也不美觀(guān);挑坎段水流較穩(wěn)定,挑流沿軸線(xiàn)最高點(diǎn)高程約528.87m,距挑坎出口27.35m,挑距約93.00m。挑射水流落水點(diǎn)基本位于河道中央偏右,對(duì)右岸岸坡有一定的沖刷。②方案2為斜挑坎,溢洪道進(jìn)口段水流較平穩(wěn),槽身段潛墩后仍出現(xiàn)水翅,其高度較方案1略高,約為1.50m,水翅沿泄槽延伸約52.00m左右后水面趨于穩(wěn)定,該方案并未改善槽身段流態(tài);挑坎段水流較穩(wěn)定,由于右側(cè)挑坎出口高程較左側(cè)底,挑距較左側(cè)略遠(yuǎn),沿溢洪道軸線(xiàn)挑流最高點(diǎn)高程約525.79m,距挑坎出口24.00m,挑距約88.00m。挑射水流入水點(diǎn)基本位于右岸岸坡附近,水流擴(kuò)散不理想,對(duì)右岸岸坡有一定的沖刷,進(jìn)入河道的挑射水流比較集中,下游河道水流紊動(dòng)較劇烈。③方案3溢洪道進(jìn)口段、槽身段及挑坎段水流均較穩(wěn)定,明顯地改善了水流流態(tài);由于左、右槽水流分開(kāi),挑坎錯(cuò)位布置,沿左槽中心線(xiàn)挑距較右槽略遠(yuǎn),水舌能較好地在空中分散,沿左槽軸線(xiàn)挑流最高點(diǎn)高程516.37m,距挑坎出口約18.06m,挑距約83.07m;沿右槽軸線(xiàn)挑流最高點(diǎn)高程520.06m,距挑坎出口約17.40m,挑距約88.16m。挑射水流與下游河道水流銜接平順且對(duì)兩岸岸坡沖刷較輕,進(jìn)入河道的水流得到較好擴(kuò)散消能,較方案1、2減輕了對(duì)兩岸岸坡的沖刷。其原因在于方案3在溢洪道中部設(shè)置了中隔墻,將左、右閘孔的水流通過(guò)左、右溢洪道分別挑流泄往下游河床,便于閘孔的靈活運(yùn)用。3.3下游河口底板壓力分布為了解溢洪道在泄洪過(guò)程中溢流堰、泄槽及挑流段底板壓力分布,以便確定是否發(fā)生空蝕空化,進(jìn)而制定相關(guān)措施。圖8為三種方案下底板壓力分布。由圖可看出,三種方案下底板壓力均為正壓,不會(huì)發(fā)生空蝕空化現(xiàn)象。挑射水流到達(dá)巖塊表面所攜帶的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)換為壓能,從定性角度來(lái)看,對(duì)河床的沖擊壓強(qiáng)越大,沖刷深度也越大。圖9為三種方案下下游河床底板壓力分布。由圖可看出:①方案1水舌落水點(diǎn)中心高壓約220kPa,距挑坎出口約98.00m,高壓區(qū)較為集中,對(duì)河床沖刷能力較強(qiáng),河道岸邊壓力值約在70～90kPa之間;②方案2水舌落水點(diǎn)中心高壓約200kPa,距挑坎出口約87.00m,較方案1略小,河道岸邊壓力值約在70～80kPa之間;③方案3由于左、右槽分別泄流,水舌落水點(diǎn)高壓區(qū)最大壓力值在140～170kPa之間,出現(xiàn)于溢洪道右槽出口前約85～100m處,位于河道中央,河道岸邊壓力值約在70～80kPa之間;④比較三種方案可知,方案3較前兩種方案對(duì)下游河床底板沖擊壓力相對(duì)較小,有利減少河床和岸坡的沖刷。3.4近河岸流速分布圖10為三種方案下高程為487m斷面流速等值線(xiàn)分布。由圖可看出:①方案1挑射水流進(jìn)入河道流速最大約34.00m/s,近岸邊流速約6～20m/s,分布不太均勻;②方案2挑射水流進(jìn)入河道流速最大約38.00m/s,近岸邊流速約為6～20m/s,分布也不太均勻;③方案3由于設(shè)置了中隔墻使兩槽錯(cuò)開(kāi)布置,呈現(xiàn)出兩條水舌,挑射水流落入河道后,左、右兩槽水流落入河道流速最大約32.00m/s,均較方案1、2小,近岸邊流速約9m/s,分布較均勻,對(duì)兩岸岸坡沖刷相對(duì)較輕。4數(shù)