潘口水電站邊坡泄洪洞水力特性三維數(shù)值模擬分析

潘口水電站邊坡泄洪洞水力特性三維數(shù)值模擬分析

1深基坑區(qū)的細段設(shè)計及數(shù)值模擬潘口水庫旁通道為深度無壓力洞，由明渠、岸塔入口、無壓力洞和鼻溝組成。泄洪洞布置在溢洪道的右側(cè),其中心線與溢洪道中心線平行,兩中心線相距114.5m。進水渠采用喇叭口向上游擴散,渠底高程300.0m。進水口采用喇叭形,頂部和兩側(cè)均為1/4橢圓曲線。進水口有壓短管集中布置在進水塔內(nèi),出口段采用1∶5的壓坡線,壓坡段長10.0m。無壓隧洞段長640.4m,縱坡比i=0.038,斷面采用城門洞型,寬8.0m,高13.5m,頂拱中心角為120°。出口段采用連續(xù)擴散式挑流鼻坎,長21.5m,進口寬8.0m,出口寬18.0m,為非對稱擴散,挑坎反弧半徑為50.0m,挑射角為25°,其布置圖見圖1。對泄水洞段高速水流的研究,傳統(tǒng)的方法是以模型試驗結(jié)合理論分析為主,如余挺等通過對某水電站進行模型試驗,認為反弧曲線與直線段連接點的曲率不連續(xù)是挑坎末端發(fā)生空蝕破壞的根本原因;王均星等針對雷公洞樞紐倒U型的特殊地形,比選了不同的閘門方案及閘門槽與下游泄槽之間的銜接段體型,給出了泄洪洞體型優(yōu)化的修改意見。隨著計算機數(shù)值技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)值模擬正逐步成為研究水流運動的有效方法。沙海飛等采用VOF方法和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε紊流模型相結(jié)合的方法,對灘坑水電站泄洪洞有壓段進行了三維數(shù)值模擬,并將其結(jié)果與模型試驗結(jié)果相比較,表明采用數(shù)值模擬方法具有較高的精度;戴會超等用曲率修正的紊流模型,對“龍?zhí)ь^”泄洪洞紊動水流的水力特性進行了二維數(shù)值模擬。為了研究潘口水電站泄水隧洞沿程的水流特性,本文采用Fluent商用水力學(xué)計算軟件對其運行情況進行了三維數(shù)值模擬,研究結(jié)果對體型優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用。2微元體流的-模型大量數(shù)值模擬研究結(jié)果表明,雖然湍流復(fù)雜多變,但非穩(wěn)定的連續(xù)方程和Navier-Stokes方程對湍流的瞬時運動仍然適用。為加入脈動過程的影響,常采用時間平均法得到湍流平均的控制方程。其中連續(xù)方程為:動量方程(Navier-Stokes方程)為:能量守恒方程為:式中,ρ為密度;t為時間;u為速度矢量;u、v、w分別為速度矢量u在x、y、z方向上的分量;p為微元體上的壓力;τxx、τxy、τxz分別為因分子粘性作用而產(chǎn)生在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量;Fx、Fy、Fz分別為微元體上的體力,若體力只有重力,且z軸垂直向上,則Fx=0、Fy=0、Fz=-ρg;cp為比熱容;T為溫度;k為流體的傳熱系數(shù);ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。本文利用RNGκ-ε模型進行模擬,所需控制方程包括連續(xù)性、動量、能量、κ及ε方程。使用散度符號后,κ及ε方程可用一通用形式,即:式中,φ為通用變量,可以代表u、v、w、T等求解變量;Γ為廣義的擴散系數(shù);S為廣義源項。3計算結(jié)果與分析按照泄洪洞水流數(shù)值計算的要求,為了減少計算量,模型范圍僅涉及上游庫區(qū)、有壓進口段、無壓隧洞段及出口挑流段。上游庫區(qū)主要是為使水流平穩(wěn)進入洞內(nèi),并與實際情況盡可能相似和便于邊界條件的設(shè)定,所以網(wǎng)格較粗;有壓段、挑流出口段易出現(xiàn)負壓,因此網(wǎng)格劃分較密;無壓隧洞段因需獲取自由水面,故網(wǎng)格相對較密。由于模型較大,給出了整體與局部計算域的網(wǎng)格見圖2。計算邊界條件為:①固壁邊界。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬近壁面處流動,壁面糙率取0.08。②自由邊界。自由液面采用幾何重構(gòu)VOF方法追蹤確定。③進口邊界。水流進口使用速度進口,紊動能κ和耗散率ε由經(jīng)驗公式得κ=0.0375μ2、ε=κ3/2/(0.4L)(μ為進口端面平均流速;L為湍流特征長度)。④出口邊界。出口采用壓力出口,其值為大氣壓。計算域采用有限體積法進行離散,鑒于泄洪洞泄洪流場屬于瞬態(tài)問題,且模擬計算區(qū)域大、網(wǎng)格數(shù)量多,因此計算時使用允許有較大的亞松弛因子和有時間步長的PISO算法,即壓力—速度耦合方式應(yīng)用PISO算法。壓力離散方式為BodyForceWeighted,動量、湍動能及耗散率采用FirstOrderUpwind,體積分數(shù)采用Geo-reconstruct,待計算初具規(guī)模,調(diào)整動量、湍動能及耗散率至二階迎風(fēng)格式,以進一步獲取高精度計算結(jié)果。4高高水流場物理模擬由于泄洪洞是在高水位情況運行,泄流流量相差不大,水力特性規(guī)律相似,故選取洪水頻率P=1%、0.1%、0.01%時相應(yīng)的上游水位H=355.52、356.69、359.97m三種典型工況進行三維數(shù)值模擬,獲取各流場信息,并與相應(yīng)的物理模型試驗結(jié)果進行比較。計算結(jié)束的依據(jù)是以進出口邊界質(zhì)量流量(即單位時間內(nèi)水流通過進出口有效截面的流體質(zhì)量)的相對誤差為標(biāo)準(zhǔn),若兩者流量的相對誤差小于5%且其殘差值滿足精度要求,即表示計算結(jié)束。4.1結(jié)果分析和計算值表1為潘口水電站泄洪洞在典型工況下泄流能力數(shù)值計算值與模型試驗結(jié)果的比較。由表1可知,數(shù)值計算值比模型試驗值略微偏大,但相對誤差均很小,最大誤差為1.85%,表明三種工況下的數(shù)值計算值與模型試驗值吻合較好。計算值較試驗值略微偏大的原因在于:①泄流量的計算值是以堰頂斷面為主,計算中除了水以外還包含部分空氣流量,使得計算流量值偏大;②進口斷面邊界條件與試驗實際情況有所差異,模型試驗中上游流量進口邊界較遠,計算中將該水位作為進口邊界條件,會增加一定的堰頂水深,使得計算值略微偏大。隨著上游庫水位的升高,相對誤差也會逐漸增大,主要原因是下泄量增大,水流湍動能增強,會使得更多空氣進入流量觀測斷面,導(dǎo)致計算流量值進一步增大。4.2無壓洞洞設(shè)計洞頂富余是泄洪洞無壓段安全泄洪的一個重要指標(biāo)。若洞頂富余太小,則可能出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象,不利于洞頂?shù)陌踩?反之,太大又不經(jīng)濟。因此,確定無壓泄洪洞的水面線位置是該類泄洪洞設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。圖3為無壓洞洞內(nèi)的水深試驗值與計算值對比。由圖3可知:①洞內(nèi)水深分布規(guī)律基本一致,兩側(cè)水深比中間高,沿程水深逐漸增大,在洞出口處水深最大(圖3(c)),邊墻計算水深為11.40m,試驗水深為11.25m,計算值的洞內(nèi)高度富余率約為15.6%,基本能滿足設(shè)計要求。②在樁號0+667.0斷面處的水平線呈波浪形,其原因是該斷面后接一對稱下凹的圓弧,且在該斷面中心線處圓弧達到最低點。水流突然從無壓隧洞段過渡到一下凹圓弧處,中心水面線下降最多,兩邊呈對稱下降,故水面線出現(xiàn)波浪形。4.3典型斷面的流速分布圖4為挑坎中心線起點和末端中垂線上的流速分布。通過與試驗數(shù)據(jù)比較可知,兩者的分布規(guī)律一致,相差較小。圖5為典型斷面的流速分布圖。由圖5可知,流速沿程逐漸遞增且?guī)缀跏菍ΨQ分布,說明整體水流流態(tài)較好,且流速從底部過渡到表面呈正U型變化,進入挑坎后由于不對稱擴散作用,導(dǎo)致右側(cè)水深比左側(cè)高,而且中間水深最大(圖5(e)),同時流速在底部也比表面大,流速大小和變化趨勢與實際較為相符。4.4計算結(jié)果分析圖6為泄洪洞進口頂板中心線壓力計算值與試驗值對比圖,圖7(a)為泄洪洞底板中心線壓力計算值與試驗值對比圖,圖7(b)為出口挑流段底板壓力云圖。由圖6、7可知:①底板和頂板壓力的計算值與試驗值分布規(guī)律基本一致,大部分數(shù)據(jù)吻合較好。②事故閘門后的底板計算值與試驗值的誤差相對較大,可能原因是實際情況下的事故門槽內(nèi)存在漩渦,壓力會降低,而數(shù)值計算忽略了門槽的影響,導(dǎo)致其壓力偏高。③進口頂板在樁號0+15斷面處出現(xiàn)時均壓強峰值,其原因是模型在樁號0+15斷面處有一個斜向下的坡(坡度比為1∶5),從而產(chǎn)生突變。水流從有壓進口滿流狀態(tài)過渡到一縮窄的突變段,導(dǎo)致頂板壓力急劇上升并達到峰值,而后水流慢慢進入閘門槽內(nèi),壓力逐漸減小。④在出口挑坎末端段計算中出現(xiàn)負壓,最大負壓為-2.78m,兩側(cè)邊墻的負壓均比此處小,出口斷面平均速度為28.5m/s,經(jīng)水流空化數(shù)計算公式計算得空化數(shù)為0.19,有發(fā)生空化破壞的可能,其原因可能是:一方面挑坎末端網(wǎng)格劃分不夠細密,實測網(wǎng)格點位置與計算網(wǎng)格點位置存在偏差,導(dǎo)致所得結(jié)果有誤差;另一方面,測點位于挑坎末端,來流速度較大,水流容易受離心力影響,流速脈動也大,紊動性強,所測靜水壓強中會含有部分動水壓強。建議將出口底板設(shè)置成連續(xù)性壁面或在出口斷面設(shè)置一道摻氣減蝕坎,以阻止空蝕空化的發(fā)生,確保泄洪洞安全泄流。5模型試驗結(jié)果分析a.基于有限體積法和恒定流算法,運用Fluent商業(yè)應(yīng)用軟件對潘口水電站泄洪洞進行了三維數(shù)值模擬,所得水力要素的計