不同入流角度對淺水墊消力池水力特性的影響研究

劉　達(dá),李連俠,廖華勝,黃本勝,蔣勝銀

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東廣州510610；2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室,廣東廣州510610；3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川成都610065；4.成都市市政工程設(shè)計研究院,成都四川610065)

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不同入流角度對淺水墊消力池水力特性的影響研究

劉達(dá)1,2,李連俠3,廖華勝3,黃本勝1,2,蔣勝銀4

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東廣州510610；2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室,廣東廣州510610；3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川成都610065；4.成都市市政工程設(shè)計研究院,成都四川610065)

摘要：在模型試驗對比驗證的基礎(chǔ)上,采用大渦模擬方法,研究了不同入流角度對淺水墊消力池水力特性的影響。結(jié)果表明,水流流速在淺水墊消力池內(nèi)衰減迅速,且池內(nèi)最大流速衰減速度隨入流角度增加而增大；來流角度越大,形成的淹沒水躍躍首位置就越靠前,躍后最高水深也越大,最高水深出現(xiàn)的位置也越靠后；隨著角度增大,入流水股對淺水墊末端直立壁面的沖擊趨于明顯,消力池底板脈動壓力基本呈正態(tài)分布；消能率隨入流角度增加而增加,但超過一定角度,增幅逐漸減小。

關(guān)鍵詞：淺水墊消力池；入流角度；大渦模擬；流場；壓力；消能率

1問題的提出

淺水墊消力池是在常規(guī)消力池的基礎(chǔ)上加上一淺水墊,在池內(nèi)底部形成的水墊可以成為“柔性底板”,對陡坡段水股施予柔性反作用力,“吸收”水股部分沖擊力,達(dá)到“以柔克剛”的目的。蘇沛蘭,褥勇伸等[1-3]結(jié)合具體的水電工程,采用物理模型試驗和k-ε紊流數(shù)學(xué)模型,初步研究了淺水墊消力池的水力特性,對該新型消力池有了一定的認(rèn)識。為了驗證淺水墊消力池大渦模擬的精度,本文應(yīng)用大渦模擬方法對特定體形的淺水墊消力池水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與物理模型試驗對比[4],結(jié)果表明,消力池內(nèi)的流態(tài)、流速、時均壓力及脈動壓力等水力參數(shù),兩者結(jié)果基本一致,說明大渦模擬方法能較好地模擬具有復(fù)雜流動的淺水墊消力池的各種水力特性,此外,模擬方法還可以提供雷諾時均模型不能得到的脈動壓力信息,便于深入研究淺水消力池的水力特性及消能機理。

以往的研究表明,入流角度是決定淺水墊消力池內(nèi)的水流特性的一個重要的進(jìn)口條件,它對池內(nèi)水躍流態(tài)、流速及壓力分布均有重要的影響,深入研究入流角度對淺水墊消力池水力特性的影響很有價值。本文采用大渦模擬方法較為深入地探討了該問題。

2數(shù)學(xué)模型簡介

2.1控制方程

大渦模擬通過求解動量方程直接模擬湍流的大尺度渦旋,小尺度渦旋的影響采用亞網(wǎng)格模型表示,避免了k-ε模型各向同性的缺陷,可以精確地模擬湍流的細(xì)節(jié)特征。過濾不可壓的N-S方程后,可以得到大渦模擬控制方程

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2離散與求解

使用有限體積法離散控制方程,時間項離散采用2 階隱式格式,采用PISO算法處理控制方程中的速度和壓力耦合問題[7]。采用VOF法追蹤模擬自由表面及水氣兩相流,在VOF方法中使用幾何重建方案來完成自由水面的構(gòu)建,幾何重建方案具有空間的2階精度,構(gòu)造界面的精細(xì)度較好。

2.3計算區(qū)域及邊界條件

(1)計算區(qū)域如圖1所示。進(jìn)水口開度10cm,在消力池的前端設(shè)置了一塊擋板,防止數(shù)值模型計算時水流溢出。

圖1　數(shù)模計算區(qū)域示意(單位：cm)

(2)邊界條件。進(jìn)口面積A和流量Q根據(jù)試驗結(jié)果得到,是已知的,來流流量和方向可按式(5)計算

(5)

(6)

式中,y為含水的單元格距底板的高程；ρ為水的密度；g為重力加速度。在固壁上應(yīng)用無滑移條件,近壁的粘性底層利用壁函數(shù)法處理。

3數(shù)學(xué)模型驗證

文獻(xiàn)[4]對比了各典型工況物理模型試驗和數(shù)值模擬計算的流速值及脈動壓力值,兩者吻合良好,該大渦模擬模型可以作為進(jìn)一步研究的可靠手段。

4不同入流角度對淺水墊消力池水力特性的影響

取5°、9°、13°和17°4種不同入流角度對應(yīng)4種工況進(jìn)行了大渦模擬計算,淺水墊深度均為20cm,來流流量為60L/s,就消力池內(nèi)流場分布、水面線、時均壓力、脈動壓力等水力特性進(jìn)行分析和比較。

4.1流場結(jié)構(gòu)分析

精細(xì)的大渦模擬流場計算結(jié)果見圖2。圖2表明,4種角度下,入流水股撞擊淺水墊,流線產(chǎn)生明顯變形,主流均沒有觸底,流線彎曲程度隨入流角度增大而增大。具體而言,小角度時水股被水墊完全“吸收”,很快破碎；角度變大,水股被部分“吸收”,水股盡管總體仍較為連續(xù),但已成“漂移”之勢；入流角度較大時,水股呈連續(xù)狀,但彎曲變形較為明顯。由此可見,淺水墊消力池的淺水墊對入流水股產(chǎn)生較為明顯的墊層作用,吸納水股能量,增加水流的混摻效果,對降低臨底流速和增加消能效果具有重要作用。

圖2　不同入射角度X-Y面流場結(jié)構(gòu)(單位：m/s)

淺水墊段的剖面最大速度(Umax)沿程衰減規(guī)律見圖3。圖中橫坐標(biāo)為無量綱距離,其中,L為淺水墊長度；縱坐標(biāo)為無量綱速度,Umax為該位置處的最大速度,U0為入池處的最大速度。由圖3可見：在4種角度下流速衰減逐步變快,入流角度越大則最大速度沿程衰減程度越明顯；池內(nèi)起始段流速比入池流速稍大,這與入流水股受淺水墊消力池內(nèi)的底部和上部這兩個旋滾擠壓有關(guān)；此外,池內(nèi)主流衰減呈波動性,這與水股發(fā)生彎曲、變形、混摻相關(guān)。

圖3　不同入流角度剖面最大速度沿程衰減規(guī)律

4.2水面線分析

4種不同入流角度工況的水面線比較如圖4。由圖4可見,來流角度越大,其形成的水躍淹沒前沿位置就越靠前、其躍后最高水深也越大,最高水深出現(xiàn)的位置也越靠后。

圖4　不同入流角度時的水面線對比

4.3脈動壓力對比分析

對消力池中軸線上沿程1、2、3、4、5、6、7、13號監(jiān)測點4個工況脈動壓力均方根及其偏態(tài)系數(shù)進(jìn)行了對比分析,見圖5、6。由圖5、6可見,隨著入流角度的增大,脈動壓力標(biāo)準(zhǔn)差的最大值也逐步增大；從消力池入口開始,標(biāo)準(zhǔn)差在水躍區(qū)達(dá)到極值；同時,由于水股余流對消力池尾坎仍有沖擊作用,標(biāo)準(zhǔn)差在此處有一較大值；幾種入流角度下,底板壓力偏態(tài)系數(shù)均接近0,說明脈動壓力基本滿足正態(tài)分布。

圖5　4種入流角度的脈動壓力標(biāo)準(zhǔn)差計算結(jié)果對比

圖6　4種入流角度的脈動壓力偏態(tài)系數(shù)計算結(jié)果對比

4.4消能率對比分析

式(7)為李天翔[8]推導(dǎo)出的計算淺水墊消力池消能率的公式,為與常規(guī)無淺水墊消力池的水躍相對比,將基準(zhǔn)面定為淺水墊出口高程平面。

(7)

式中,E1為躍前的斷面能量；E2為躍后斷面能量；θ為陡坡段角度；Y為躍后躍前水深比；Fr1為消力池進(jìn)口躍前斷面的弗勞德數(shù)。

計算得到的淺水墊消力池角度為5°、9°、13°、17°的消能率如表1所示。

表1不同角度淺水墊消力池消能率

陡坡段角度/(°)躍前水深/cm躍后水深/cm弗勞德數(shù)消能率/%56.6324.003.7448.0795.3428.675.1859.47134.6030.006.4868.03174.1134.677.6770.87

由表1可見,在陡坡段角度增大時,淺水墊消力池的消能率也在增大,從5°到9°,再從9°到13°的過程中,消能率有大幅提高,角度每增大4°,消能率增大10%左右,而從13°變化為17°時,增大的幅度在減小,消能率增幅不明顯。

5結(jié)語

本文通過大渦模擬計算了不同入流角度對淺水墊消力池的水力特性的影響,主要分析的水力要素為流場結(jié)構(gòu)、水面線、壓力、消能率等。計算結(jié)果表明,不同入流角度下各水力要素體現(xiàn)出一定的差異性及規(guī)律性。由于淺水墊的存在,主流均沒有觸底,入流角度越大,最大速度沿程衰減程度越明顯。隨著角度增大,入流水股對淺水墊末端直立壁面的沖擊更加明顯。各個入流角度下,消力池底板壓力均基本滿足正態(tài)分布,脈動壓力標(biāo)準(zhǔn)差的最大值對入流角度增大而增大。對于消能率,基本規(guī)律是入流角度越大消能率越大,但超過一定角度,增幅逐漸減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇沛蘭, 廖華勝, 李天翔, 等. 淺水墊消力池水力特性研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報： 工程科學(xué)版, 2009, 41(2): 35- 41.

[2]褥勇伸, 廖華勝, 李連俠, 等. 淺水墊消力池的數(shù)值模擬與實驗研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2010, 29(2): 36- 41.

[3]劉達(dá), 李連俠, 廖華勝, 等. 雙淺水墊消力池水力特性的數(shù)值模擬與試驗研究[J]. 水利學(xué)報, 2012, 43(5): 623- 629.

[4]劉達(dá), 廖華勝, 李連俠, 等. 淺水墊消力池的大渦模擬研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報： 工程科學(xué)版, 2014, 46(5): 28- 34.

[5]ANDERSONJD.Computationalfluiddynamics:basicandapplication[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress, 2002.

[6]李天翔. 淺水墊消力池特性研究[D]. 成都： 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 2006.

(責(zé)任編輯焦雪梅)

收稿日期：2015- 07- 08

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51079091, 51209154)

作者簡介：劉達(dá)(1981—),男,吉林延邊人,高級工程師,博士,主要從事水力學(xué)研究．

中圖分類號：TV135

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0049- 04

EffectsofInflowAngletotheFlowCharacteristicsinStillingBasinwithShallow-waterCushion

LIUDa1,2,LILianxia3,LIAOHuasheng3,HUANGBensheng1,2,JIANGShengyin4

(1.GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou510610,Guangdong,China;2.GuangdongKeyLaboratoryofHydrodynamicResearch,Guangzhou510610,Guangdong,China; 3.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China;4.ChengduMunicipalEngineeringandResearchDesignInstitute,Chengdu610065,Sichuan,China)

Abstract:Based on the comparison of model tests, the large eddy simulation (LES) method is used to study the influences of different inflow angle on hydraulic characteristics of stilling basin with shallow-water cushion (SBSWC). The results show that, (a) the flow velocity is rapidly attenuation and the attenuation rate of maximum flow velocity increases with the increase of flow angle; (b) if the inflow angle is bigger, the submerged hydraulic jump will be more forward, the highest water depth is also larger and the position of highest water depth will be more rearward; (c) with the increase of angle, the impact force on the vertical wall of SBSWC will increase and the pulsating pressure on the bottom of stilling basin is substantially normal distribution; and (d) the energy dissipation ratio increases with the increase of inflow angle, but the growth rate will gradually decrease when more than a certain angle．

Key Words:stilling basin with shallow-water cushion; inflow angle; large eddy simulation; flow field; pressure; energy dissipation ratio