高拱壩斜窄縫挑坎應(yīng)用的水流特性研究

高拱壩斜窄縫挑坎應(yīng)用的水流特性研究

0窄縫挑坎的水力特性窄縫和高幫是一種收縮的消能工具。其特點(diǎn)是出口收縮，出口斷面與水平面垂直，底部水平或呈拱形，并限制舌頭底部。一般來說，用于排水孔和溢流道的末端。然而，很少有設(shè)計(jì)和研究高拱水庫的漏水孔和深孔，因此研究高拱水庫的漏水孔和深孔不足。中國僅有烏江-諾丁水庫的中孔（水庫高度為162米），高拱水庫的高度超過200米。李乃穩(wěn),許唯臨等在錦屏一級(jí)水電站(壩高305米)整體模型上將出口斷面呈傾斜狀的一種傾斜窄縫挑坎應(yīng)用于深孔并結(jié)合表孔寬尾墩,實(shí)現(xiàn)了高拱壩表深孔水流空中無碰撞消能的目的。對(duì)于窄縫收縮式消能工而言,其水流因兩側(cè)邊墻的橫向收縮而形成急流沖擊波,具有明顯的三維特性。關(guān)于窄縫收縮消能工的水力特性研究,目前往往是通過模型試驗(yàn)來進(jìn)行,數(shù)值模擬還較少。李桂芬、劉清朝等將收縮式消能工內(nèi)三維水流簡化為二維水流,在渠道水流壓力按靜水壓力分布的條件下,推導(dǎo)了寬尾墩及窄縫消能工內(nèi)水力計(jì)算的數(shù)值解法,得出了較好的結(jié)果,但由于將三維問題簡化為二維問題、渠道水流壓力靜水壓力分布假設(shè)及未考慮出口處水流的摻氣,因而計(jì)算值較試驗(yàn)值偏小,并且無法獲得孔內(nèi)垂線上水流速度分布。對(duì)于窄縫邊墻壓力的計(jì)算,則往往采用理論推導(dǎo)再適當(dāng)假設(shè)而后簡化的方式,公式的系數(shù)則試驗(yàn)確定,因而由此得到的計(jì)算公式的應(yīng)用性受到一定的限制,普適性不強(qiáng)。由于窄縫挑坎內(nèi)水流具有明顯的三維特性,因而采用適當(dāng)?shù)娜S紊流數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算則更能準(zhǔn)確反映窄縫收縮段內(nèi)的水力特性。本文采用k-ε雙方程紊流模型并結(jié)合自由面追蹤的VOF方法對(duì)斜窄縫收縮式消能工應(yīng)用于高拱壩深孔的水流特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,得到了邊墻沖擊區(qū)水流流態(tài)及壓力分布、挑坎射流流態(tài)、流場分布等水流特性,并將邊墻沖擊區(qū)水面線及壓力計(jì)算值同試驗(yàn)值進(jìn)行了比較。1邊墻沖擊區(qū)水面線、壓力分布為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,首先在錦屏一級(jí)水電站1:100整體模型上對(duì)窄縫挑坎應(yīng)用于高拱壩深孔進(jìn)行了試驗(yàn)研究(庫水位1880.00m),測量其邊墻沖擊區(qū)水面線、壓力分布。本研究中窄縫挑坎體型不同與一般窄縫挑坎體型,具體表現(xiàn)在如下方面:1)為防止水舌對(duì)深孔弧形閘門支跤造成沖刷,窄縫挑坎布置在其閘門支跤的后方的深孔邊墻突擴(kuò)延伸段上;2)窄縫挑坎出口為傾斜出口,其水平夾角為52°;3)挑坎底部采用大坡度底板,坡度為45°,盡量避免其對(duì)水舌的約束。具體窄縫挑坎體型設(shè)計(jì)見圖1。同時(shí)為了比較分析,還對(duì)相同工況深孔常規(guī)挑坎體型進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算。2數(shù)學(xué)模型2.1自由面追蹤模型連續(xù)方程:?ρ?t+?ρui?xi=0(1)?ρ?t+?ρui?xi=0(1)動(dòng)量方程:?ρui?t+??xj(ρuiuj)=-?p?xi+??xj[(μ+μt)(?ui?xj+?uj?xi)]+ρgi(2)?ρui?t+??xj(ρuiuj)=??p?xi+??xj[(μ+μt)(?ui?xj+?uj?xi)]+ρgi(2)k方程:?(ρk)?t+?(ρuik)?xi=??xi[(μ+μtσk)?k?xi]+G-ρε(3)?(ρk)?t+?(ρuik)?xi=??xi[(μ+μtσk)?k?xi]+G?ρε(3)ε方程:?(ρε)?t+?(ρuiε)?xi=??xi[(μ+μtσε)?ε?xi]+C1εεkG-C2ερε2k(4)式中:ui為xi方向的速度分量,i,j=1,2,3;ρ為體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均的密度;p為修正壓力;μ為體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均的分子黏性系數(shù);μt為紊流黏性系數(shù),它可由紊動(dòng)能k和紊動(dòng)耗散率ε求出,公式為:μt=ρCμk2ε;G為平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),它可由下式定義:G=μt(?ui?xj+?uj?xi)?ui?xj;Cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),σk和σε分別為k和ε的紊流普朗特?cái)?shù),C1ε和C2ε為ε方程中的常數(shù),各常數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型中取值如表1。自由面追蹤采用目前應(yīng)用較多的VOF方法,即ρ和μ是體積分?jǐn)?shù)的函數(shù),而不是常數(shù),它們可由下式表示:ρ=αwρw+(1-αw)ρa(bǔ)(5)μ=αwμw+(1-αw)μa(6)式中:αw為水的體積分?jǐn)?shù),ρw和ρa(bǔ)分別為水和氣的密度,μw和μa分別為水和氣的分子黏性系數(shù)。通過對(duì)水的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行積分迭代求解,ρ和μ可由上兩式求取。采用有限體積法進(jìn)行方程離散,速度壓力耦合采用PISO算法。2.2網(wǎng)格劃分和計(jì)算窄縫挑坎出口寬度由6m收縮到4m,計(jì)算區(qū)域包括前面的有壓段、出口壓坡段和窄縫挑坎收縮段及出口后80m的范圍。網(wǎng)格劃分采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時(shí)為了減少計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量和提高計(jì)算精確度,首先采用粗網(wǎng)格計(jì)算,至初步穩(wěn)定后再采用自適應(yīng)加密網(wǎng)格2次,最終計(jì)算網(wǎng)格單元數(shù)約為17萬,節(jié)點(diǎn)數(shù)約為19萬,具體計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分如圖2所示。計(jì)算時(shí),深孔窄縫挑坎的泄流量由試驗(yàn)給定,水流進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口條件,大氣進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件,出流和大氣相通,壓力為大氣壓;壁面采用無滑移邊界條件,對(duì)黏性底層采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法處理。計(jì)算開始時(shí),為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間,先在上游計(jì)算區(qū)域預(yù)設(shè)一定水位的水體,全場流動(dòng)為非恒定流過程。水的進(jìn)口初始速度由斷面平均速度給出,初始紊動(dòng)能k和紊動(dòng)耗散率ε根據(jù)速度值按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:kin=0.00375∑u2i?εin=Cμkin320.012ht,式中:ht為進(jìn)口水深(m),ui為進(jìn)口水流速度(m/s)?？刂七M(jìn)出口水流量大體接近后,再計(jì)算10s,作為計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)束條件。3結(jié)論分析3.1邊墻射流附壁區(qū)計(jì)算深孔出射水流首先在弧形工作閘門突擴(kuò)門槽處因邊壁的突擴(kuò)而出現(xiàn)脫壁流態(tài),而后在下泄過程中由于水流橫向自然擴(kuò)散及流道橫向縮窄而沖擊窄縫邊墻邊壁,出現(xiàn)附壁流流態(tài),在窄縫挑坎邊墻上形成射流附壁區(qū),三維數(shù)值計(jì)算的窄縫挑坎邊墻水流流態(tài)見圖3,計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖4。為了方便比較分析,深孔常規(guī)挑坎數(shù)值模擬的邊墻射流附壁區(qū)水流流態(tài)一并列入圖3。從圖3可知,深孔采用窄縫挑坎后,其水流在邊墻上形成的射流附壁區(qū)相對(duì)于深孔常規(guī)挑坎而言,其范圍大大增加,說明射流由于窄縫挑坎邊墻的橫向收縮擠壓而沿豎向及縱向擴(kuò)散明顯。在門槽突擴(kuò)與射流附壁區(qū)間存在一無水區(qū)域,有側(cè)空腔存在,這與模型試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象一致。從圖4可知,數(shù)值模擬窄縫挑坎邊墻射流附壁區(qū)水面線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。3.2射流沿程變化水流在出射過程中首先經(jīng)過壓坡段,而后經(jīng)過閘門槽的橫向突擴(kuò),最后經(jīng)過窄縫挑坎。由于射流邊界條件的變化,深孔水流流態(tài)也發(fā)生一系列變化,其中線水流流態(tài)見圖5。在閘門槽處由于流道的橫向突擴(kuò),射流出現(xiàn)脫壁流態(tài),邊墻處出現(xiàn)側(cè)空腔。同時(shí)門槽突擴(kuò)處采用45°大坡度底板,射流脫離底板,二者之間出現(xiàn)底空腔,并且底空腔與側(cè)空腔貫通,顯然這對(duì)防止邊墻出現(xiàn)負(fù)壓有利,并兼有使高速射流摻氣的功能,與模型試驗(yàn)中所觀察的結(jié)果相一致。在窄縫挑坎收縮段,射流水舌受流道橫向縮窄的影響形成急流沖擊波,水流豎向擴(kuò)散而變高;出坎后,射流水舌受慣性作用繼續(xù)沿程橫向收縮、豎向擴(kuò)散,空中呈窄高的水流流態(tài),同試驗(yàn)中的水流流態(tài)相對(duì)比,計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確反應(yīng)深孔窄縫挑坎出射水流流態(tài)的沿程變化。顯然,窄縫挑坎應(yīng)用于高拱壩深孔后,出射水流因受流道橫向縮窄的影響,水舌豎向擴(kuò)散比較明顯,不同于常規(guī)挑坎體型時(shí)的水舌流態(tài)。3.3邊墻沖擊試驗(yàn)深孔采用窄縫挑坎后,其邊墻壓力分布特性如何,是模型試驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中比較關(guān)心的問題。深孔窄縫挑坎的底板是一個(gè)大斜坡(45°),坎末射流水舌下緣在出射過程中不接觸底板,存在充分的底空腔,并且底空腔與射流因閘門槽突闊而脫壁形成的邊墻側(cè)空腔貫通,底板壓力即為大氣壓。在窄縫挑坎始折點(diǎn)處,受射流沖擊的影響,邊墻壓力大大增加,計(jì)算的壓力分布等值線見圖6。在計(jì)算工況(上游庫水位1880.00m),邊墻沖擊區(qū)最大壓力為232.7kPa,位置為X=46.18mY=3.60m,而模型試驗(yàn)中得到的沖擊區(qū)最大壓力為245.0kPa,位置為X=46.22mY=3.70m,邊墻沖擊區(qū)最大壓力和位置與試驗(yàn)值吻合較好。深孔窄縫挑坎邊墻壓力計(jì)算值和試驗(yàn)值結(jié)果列入表2。由表可見,計(jì)算值總體比試驗(yàn)值偏小,但二則相差不大,分布規(guī)律也是基本符合的。另外,從計(jì)算的窄縫挑坎邊墻壓力分布來看,沒有出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),邊墻壓力最大值點(diǎn)出現(xiàn)在窄縫挑坎始折點(diǎn)上(X=46.35m,Y=3.82m,p=242.6kPa)。3.4深孔常規(guī)挑坎線速率分布從上述分析可知,三維紊流數(shù)值模擬計(jì)算的深孔窄縫挑坎邊墻沖擊區(qū)水面線及壓力分布均與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,因而數(shù)值計(jì)算的深孔窄縫挑坎流場是可信的,計(jì)算的窄縫挑坎中線流速分布矢量圖見圖7,為方便比較分析,深孔常規(guī)挑坎中線流速矢量分布在圖中一并列出。從圖7可知,相對(duì)于深孔常規(guī)挑坎而言,由于窄縫挑坎消能工的橫向收縮作用,深孔水舌沿豎向擴(kuò)散、拉伸明顯,沿程在垂向的流速值大小變化不大,但流速方向發(fā)生了明顯的變化(-25°～5°),這顯然對(duì)水舌的豎向及縱向擴(kuò)散有利,因而使得水舌縱向擴(kuò)散及拉長效果明顯,水流在水墊塘入水處的內(nèi)緣挑距減小而外緣挑距增加,縱向長度大大增加。顯然正是窄縫挑坎這種流速分布特性才促使了射流水舌的豎向及縱向擴(kuò)散,從而獲得了窄長的下泄水流流態(tài)。4深孔窄縫挑坎數(shù)值模擬結(jié)果通過對(duì)傾斜窄縫挑坎應(yīng)用于高拱壩壩身泄洪深孔的三維數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明:1)本文所選用的計(jì)算模型,其計(jì)算窄縫挑坎邊墻水流沖擊區(qū)水面線及邊墻壓力分布結(jié)果同模型試驗(yàn)值吻合良好,說明本文所選用的三維數(shù)值模型是可靠的,可用來模擬高拱壩壩身深孔窄縫挑坎出射水流的三維特性。2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示,深孔窄縫挑坎射流在工作閘門突擴(kuò)門槽后存在貫通的側(cè)空腔和底空腔;受邊墻橫向收縮作用,射流出坎后呈窄長的水流流態(tài),同試驗(yàn)中觀察的結(jié)果一致。3)邊墻壓力分布