導(dǎo)流洞出口消力池試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

底流消能[1-3]不但適用于低水頭、大單寬流量的平原河道或通航河道，而且適用于高水頭、大流量的泄水建筑物。為了充分認(rèn)識消力池內(nèi)詳細(xì)的水流流場及水力學(xué)特性，本文利用ATS水利樞紐導(dǎo)流洞出口消力池物理模型和流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT，對導(dǎo)流洞出口消力池進(jìn)行物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。

1 工程概況

ATS水利樞紐是以生態(tài)、灌溉、防洪、發(fā)電為開發(fā)目標(biāo)的控制性水利樞紐工程。水庫總庫容22.45×108m3，樞紐主要建筑物有混凝土面板砂礫石堆石壩、1#和2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#和2#深孔放空排沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流發(fā)電系統(tǒng)和發(fā)電廠房等。設(shè)計(jì)水位1 821.65 m，校核水位1 823.64 m，正常蓄水位1 820 m，死水位1 770 m，最大壩高164.8 m。

導(dǎo)流洞布置在左岸，由進(jìn)口明渠段、封堵閘井段、洞身段、擴(kuò)散段、消力池段、泄槽段組成。進(jìn)口明渠段長633.553 m，底寬17 m，縱坡0.5%。封堵閘井底板高程1 666.0 m，布置1道封堵平板閘門，孔口尺寸11.0 m×13.5 m，洞身段長805 m，出口底板高程為1 656.36 m，縱坡：0+000.0～0+318.0 m段為0.015，0+318.0～0+805.0 m段為0.01。擴(kuò)散段長92.586 m，底寬由11 m漸變至30 m，平面擴(kuò)散角5.29°，其中前段64.283 m長縱坡為1/100，后段28.303 m縱坡為0.167，消力池池長80 m，縱坡為0，底寬30 m，池深6.0 m，邊墻高度20 m，邊坡1∶0.3，底板高程1 651.0 m。泄槽段長15 m，底寬33.6 m，縱坡為0，底板高程1 657.0 m，邊墻高度14 m，邊墻坡度1∶0.3。導(dǎo)流洞出口消力池體型布置見圖1，導(dǎo)流運(yùn)行工況見表1。

圖1 導(dǎo)流洞出口消力池體型布置

導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)P/%洪峰流量/m3·s-1擋水建筑物泄水建筑物型式水位/m型式下泄流量/m3·s-15(全年)5 590上游圍堰1 702.28導(dǎo)流洞全開2 739.30

2 水工模型試驗(yàn)成果

試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水工況P=5%(全年)下，水躍躍首基本發(fā)生在消力池進(jìn)口，即在消力池內(nèi)發(fā)生接近臨界水躍，水流旋滾劇烈，但未超過邊墻高度。消力池內(nèi)最大水深發(fā)生在樁號導(dǎo)0+967.586 m處，即消力池尾坎附近，最大水深19 m。邊墻高度有一定的富裕。消力池內(nèi)最大流速發(fā)生在樁號導(dǎo)0+883.435 m處，即消力池陡坡段處，最大流速20.55 m/s。出池水流呈急流狀態(tài)，產(chǎn)生沖擊波。消力池底板脈動壓力均為正值，無負(fù)壓出現(xiàn)。因消力池內(nèi)水流旋滾劇烈，水面波動較大，利用流體力學(xué)計(jì)算軟件 FLUENT對消力池內(nèi)水流進(jìn)行三維數(shù)值模擬，認(rèn)識消力池內(nèi)詳細(xì)的水流流場。見圖2。

3 數(shù)值模擬過程

3.1 計(jì)算方法及原理

在紊流模型中，采用Yakhot和Orszag建立的RNGk～ε紊流數(shù)學(xué)模型，其考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況，可以更好處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大流動，使得RNGk～ε模型具有更高的可信度和精度。其連續(xù)方程、動量方程和k、ε方程分別表示如下：

連續(xù)方程：

?uj/?xj=0

(1)

動量方程：

(2)

紊動能方程(k方程)：

(3)

紊動能耗散率方程(ε方程)：

(4)

式中：i=1，2，3，即{xi=x，y，z}，{ui=u，v，w}；j為求和下標(biāo)；方程中通用模型常數(shù)Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

采用VOF數(shù)值模擬方法[4-6]對自由液面進(jìn)行處理。控制方程組離散方法為有限體積法，數(shù)值計(jì)算算法為PISO算法，采用欠松弛迭代方法對離散方程組進(jìn)行求解。

3.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

通過利用前期建模軟件建立導(dǎo)流洞出口消力池三維數(shù)學(xué)模型，模型計(jì)算區(qū)域范圍為樁號導(dǎo)0+805 m～導(dǎo)0+992.586 m。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分30 813個網(wǎng)格單元。導(dǎo)流洞消力池采用流速進(jìn)口，進(jìn)口流速19.38 m3/s；消力池出口邊界條件采用壓力出口，總壓強(qiáng)值為大氣壓強(qiáng)。因消力池頂部與大氣連通，其頂部邊界采用壓力進(jìn)口邊界，其值為大氣壓強(qiáng)。消力池邊墻與底板采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面采用無滑移條件。導(dǎo)流洞出口消力池?cái)?shù)學(xué)模型及模擬范圍網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 導(dǎo)流洞出口消力池?cái)?shù)學(xué)模型及 模擬范圍網(wǎng)格劃分

4 數(shù)值模擬成果

4.1 消力池內(nèi)水面線

通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得出消力池內(nèi)水面線及各典型斷面的水深。消力池內(nèi)典型斷面水深計(jì)算值與模型實(shí)測值對比見表2。

表2 消力池內(nèi)典型斷面水深計(jì)算值與模型實(shí)測值對比

計(jì)算結(jié)果表明，消力池內(nèi)最大水深發(fā)生在樁號導(dǎo)0+967.586 m處，即消力池尾坎附近，與模型實(shí)測值結(jié)果一致，消力池內(nèi)各典型斷面計(jì)算值與模型實(shí)測值基本吻合，由于池內(nèi)水面波動的影響，兩者最大誤差在13%以內(nèi)。

4.2 消力池內(nèi)流速

消力池各典型位置的流速矢量和等值線見圖4。消力池內(nèi)典型位置的流速計(jì)算值與模型實(shí)測值對比見表3。計(jì)算結(jié)果表明，消力池內(nèi)最大流速發(fā)生在樁號導(dǎo)0+883.435 m處，即消力池陡坡段處。與模型實(shí)測值基本一致，吻合較好，誤差在17%以內(nèi)。由于未建立消力池后的明渠段模型和紊流脈動的影響，導(dǎo)致消力池出口計(jì)算結(jié)果和模型實(shí)測值存在一定的偏差。

圖4 各典型位置的流速矢量和等值線

樁號/m實(shí)測值/m·s-1計(jì)算值/m·s-1誤差/%樁號/m實(shí)測值/m·s-1計(jì)算值/m·s-1誤差/%0+805 17.2118.78.66 0+907.586 18.8519.533.61 0+815 17.8518.563.98 0+917.586 16.8417.151.84 0+825 18.818.720.43 0+927.586 12.5113.588.55 0+835 19.2419.310.36 0+937.586 8.879.8511.05 0+845 19.2419.642.08 0+947.586 7.67.323.68 0+855 19.8719.890.10 0+957.586 4.985.235.02 0+869.283 19.6921.237.82 0+967.586 2.733.0511.72 0+883.435 20.5519.743.94 0+977.586 3.143.6616.56 0+897.586 18.6119.685.75 0+987.586 4.965.7215.32

4.3 消力池內(nèi)脈動壓力

各典型位置的壓強(qiáng)等值線見圖5。消力池底板脈動壓力均為正值，無負(fù)壓出現(xiàn)，與模型試驗(yàn)結(jié)果一致，且數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)較全面，能夠更詳細(xì)反映流場內(nèi)的情況，有效避免了物理模型試驗(yàn)測點(diǎn)布置不合理而產(chǎn)生的錯誤。

圖5 各典型位置的壓強(qiáng)等值線

5 結(jié) 論

通過對ATS水利樞紐導(dǎo)流洞出口消力池進(jìn)行物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1) 物理試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水工況P=5%(全年)下，水躍躍首基本發(fā)生在消力池進(jìn)口，即在消力池內(nèi)發(fā)生接近臨界水躍，水流旋滾劇烈，但未超過邊墻高度。消力池內(nèi)最大水深發(fā)生在樁號導(dǎo)0+967.586 m處，即消力池尾坎附近，最大水深19 m。邊墻高度有一定的富裕。消力池內(nèi)最大流速發(fā)生在樁號導(dǎo)0+883.435 m處，即消力池陡坡段處，最大流速20.55 m/s。出池水流呈急流狀態(tài)，產(chǎn)生沖擊波。消力池底板脈動壓力均為正值，無負(fù)壓出現(xiàn)。

2) 為充分認(rèn)識消力池內(nèi)詳細(xì)的水流流場，通過流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT對消力池內(nèi)水流進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到消力池內(nèi)詳細(xì)的水力學(xué)特征參數(shù)，如池內(nèi)水面線變化﹑流速分布﹑池內(nèi)脈動壓力等。

3) 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，消力池內(nèi)水面線、流速分布、脈動壓力等水力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律與物理模型試驗(yàn)基本一致，兩者基本吻合。池內(nèi)水面線兩者誤差在13%以內(nèi)，消力池內(nèi)流速兩者誤差在17%以內(nèi)。消力池底板脈動壓力均為正值，無負(fù)壓出現(xiàn)。

4) 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果彌補(bǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)量不足，有效驗(yàn)證了物理模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)楣こ痰脑O(shè)計(jì)及計(jì)算提供參考。