齒墩間距對二級齒墩消能工消能效果的影響研究

董 亮

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

隨著水利工程技術的不斷進步，高壩建設數量迅速增加，因而對泄洪消能的需求也不斷提高。由于突擴、突縮式內消能工具有結構簡單、施工方便、消能效果好等諸多優勢，在近年來的水利工程建設中得到了廣泛應用[1]。目前，內消能工主要有孔板、洞塞與齒墩3種類型。其中，齒墩式消能工是在洞塞式消能工的基礎上將有壓管道或泄洪洞去掉洞塞的一部分后，再設置幾個齒墩，以增加過流能力并兼顧消能效果[2]。由于齒墩尺寸和梯形對消能效果存在決定性影響，相關學者在該領域進行了諸多研究。其中，張楊利用數值模擬的方法對齒墩的長度進行研究，結論顯示流量相同的條件下，消能率會隨著齒墩長度的增大先減小后增大再趨于穩定[3]。張澤的研究還顯示，在面積收縮比相同的條件下，消能率會隨著齒墩數目的增加而減小，且4個齒墩情況下具有最好的抗空化效果[4]。李斌的研究結果顯示，在其他條件相同時，二級齒墩比一級齒墩的消能效果要好，同時齒墩間距大于100cm時，旋轉角對消能率的影響極為有限[5]。在前期研究成果的基礎上，本文利用數值模擬的方法，對不同齒墩間距下的消能特征進行研究，以獲得最佳齒墩間距。

1 計算模型的構建

1.1 工程布置與模擬參數

參照宋佳杰在相關研究中使用的數值模擬計算幾何模型[6]，本次模擬設計水頭為3m，管道長度為370cm。二級齒墩消能工位于模型的中部，前面設計為110cm的長度，使水流達到第一級齒墩部位時呈近似均勻流狀態，在第二級齒墩的后面留有213cm的長度，以保證出流水流具備足骨的發展變化空間。根據前文所述的研究成果，齒墩個數為4個，齒墩高為3.75m，長13.50cm，面積收縮比為0.5，如圖1所示。

1.2 模型的構建

模型創建是流體數值模擬研究的基礎和關鍵環節。結合本次研究對象的實際特點以及相關研究經驗，采用AutoCAD三維建模軟件進行研究對象的幾何建模，利用FLUENT軟件進行數值計算模型的構建[7]。一般情況下，模型的網格劃分越密集，計算精度越高，但是計算量也會急劇增大，因此，本次研究基于軟件強大的網格劃分功能，全部采取非結構化的活動網格進行模型的網格劃分[6]，劃分過程中設定網格間距為10mm，最終獲得294110個網格單元，244268個計算節點。

1.3 邊界條件

結合本次研究的實際情況以及本領域的研究成果，設定如下邊界條件：對于模型的入口選取液相速度入口邊界條件與氣相壓力入口邊界條件[8]。具體而言，根據模型入口部位的設計流量，計算入口邊界均勻來流條件。對于模型的出口，設置壓力出口邊界條件，模型下游出口處的水流可以自由發展，沒有回流現象出現；模型設置為無滑移的固壁邊界條件。

圖1 幾何模型示意

1.4 試驗工況設計

根據前文所述，當齒墩間距大于100cm時，旋轉角對消能率的影響極為有限，因此在數值模擬研究中選取40、60、80、100cm四種不同的齒墩間距方案，對每種方案分別選取18，27，36L/s三種不同的流量進行模擬計算，總共需要進行12個組次的計算。

2 模擬計算結果與分析

2.1 消能率分析

設計二級齒墩消能工的主要目的就是提高消能效果，而消能率是判斷水工建筑物消能效果的主要指標，其計算公式如下：

(1)

式中，η—消能率，%；hW—消能前后水頭差，m；H—總水頭，m。

利用上述公式對不同計算組次下的齒墩消能工的消能率進行計算，結果見表1。

利用表1中的數據，以齒墩間距為橫坐標；以消能率為縱坐標，獲得不同流量條件下的消能率隨齒墩間距的變化曲線，結果如圖2所示。由圖2可知，在相同流量條件下，齒墩間距對消能率的影響十分明顯，隨著齒墩間距的增大，不同方案下的消能率也在逐漸增大。另一方面，在齒墩間距相同時，流量越大消能率也越大，究其原因，主要是大流量情況下齒墩前后的局部水頭損失更大。

2.2 時均流速變化

利用模型計算的方法獲取管道中心軸部位的時均流速，繪制出如圖3所示的不同流量和齒墩間距條件下的管道中心軸時均流速分布曲線。由圖3可知，在相同齒墩間距條件下，模型中心軸時均流速分布在不同流量條件下呈現出基本相同的規律。具體而言，在第一齒墩前各方案的時均流速基本保持穩定狀態。究其原因，主要是水流達到第一齒墩前的沿程管道面積保持不變，造成流速分布比較均勻，變化幅度非常小。在2級齒墩的進口部位中心軸時均流速變化劇烈，并在齒墩內部達到最大值。究其原因，主要是在齒墩部位水流的過流斷面明顯收縮，因此流速相應增大，在水流流出齒墩部位后，斷面恢復正常，流速則逐漸變小并恢復穩定，在各個方案下，中心軸流速均在二級齒墩出口以下約80cm處趨于平穩。

表1 不同組次下的消能率計算結果

圖2 消能率與齒墩間距關系曲線

圖3 不同流量和齒墩間距下時均流速分布曲線

在齒墩間距不同，流量相同的條件下，各組方案的中心軸流速在管道進口至一級齒墩出口之間的時均變化特征基本相同，二級齒墩部位的最大流速相比一級齒墩部位更大，且隨著齒墩間距的增加，二級齒墩部位的最大流速逐漸減小。從計算結果來看，在流量為36L/s，齒墩間距分別為40、60、80、100cm條件下，二級齒墩部位的最大流速與一級齒墩部位的最大流速相比，分別大13.8%、11.6%、4.3%、0.0%；在流量為27、18L/s，齒墩間距分別為40、60、80、100cm條件下，二級齒墩部位的最大流速與一級齒墩部位的最大流速相比，分別大11.4%、6.6%、2.5%、0.0%。由此可見，在齒墩間距為100cm時，兩級齒墩部位的最大流速基本相同；究其原因，主要是齒墩的間距越大，兩級齒墩之間的影響就越小，當齒墩間距增大到100cm時，兩級齒墩之間的影響微乎其微，可以忽略不計。

2.3 紊動能分布規律

高速水流經過齒墩式消能工過程中，僅有一小部分能量通過水流與消能工摩擦轉化為熱量散失，其余大部分能量則在經過齒墩后由于剪切力的作用轉化為紊動能。因此，通過對二級齒墩紊動能的分析，可以進一步了解齒墩式消能工消能特點與內在機理。鑒于管道內水流紊動能主要是由于水流經過齒墩過程中的剪切效應產生的，因此其變化主要位于2級齒墩的后方。因此，研究中在2級齒墩的出口0.4D位置各選擇一個典型斷面，對紊動能進行計算，結果見表2。由表2可知，在不同齒墩間距條件下，二級齒墩出口斷面的紊動能均值隨著齒墩間距的增大而逐漸增大，這與上文消能率變化特征基本一致，說明紊動能的變大對導致紊動消耗的能量變多，因此消能率也明顯增加；二級齒墩出口斷面的紊動能最大值明顯大于一級齒墩出口部位的紊動能最大值，前者約為后者的2.4～2.5倍。

表2 典型斷面紊動能計算結果 單位：m2/s2

3 結論

對齒墩式內消能工結構參數變化對其消能效果影響的研究，對促進該消能工結構設計優化，提高其工程應用價值具有重要意義。本文以數值模擬的方式對2級消能工齒墩間距對消能效果的影響進行研究，并獲得如下主要結論。

(1)在相同流量條件下，隨著齒墩間距的增大消能率也逐漸增大；在齒墩間距相同時，流量越大消能率也越大。

(2)在相同齒墩間距條件下，模型中心軸時均流速分布在不同流量條件下呈現出基本相同的規律。在第一齒墩前各方案的時均流速基本保持穩定狀態，在2級齒墩的進口部位中心軸時均流速變化劇烈，并在齒墩內部達到最大值，在二級齒墩出口以下約80cm處趨于平穩。

(3)在齒墩間距不同，流量相同的條件下，二級齒墩部位的最大流速相比一級齒墩部位更大，且隨著齒墩間距的增加，二級齒墩部位的最大流速逐漸減小。當齒墩間距增大到100cm時，兩級齒墩之間的影響微乎其微。

(4)在不同齒墩間距條件下，二級齒墩出口斷面的紊動能均值隨著齒墩間距的增大而逐漸增大，二級齒墩出口斷面的紊動能最大值明顯大于一級齒墩出口部位的紊動能最大值，前者約為后者的2.4～2.5倍。