基于數(shù)值模擬的齒墩間距對(duì)消能效果的影響研究

關(guān) 健

(新民市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心,遼寧 沈陽(yáng) 110300)

隨著水利工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壩建設(shè)數(shù)量迅速增加，因而對(duì)泄洪消能的需求也不斷提高。由于突擴(kuò)、突縮式內(nèi)消能工具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、消能效果好等諸多優(yōu)勢(shì)，在近年來的水利工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，內(nèi)消能工主要有孔板、洞塞與齒墩三種主要類型。其中，齒墩式消能工是在洞塞式消能工的基礎(chǔ)上在有壓管道或泄洪洞內(nèi)去掉洞塞的一部分，設(shè)置幾個(gè)齒墩，以達(dá)到增加過流能力并兼顧消能效果的雙重作用[2]。由于齒墩尺寸和梯形對(duì)消能效果存在決定性影響，相關(guān)學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了諸多研究。其中，張楊[3]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)齒墩的長(zhǎng)度進(jìn)行研究，結(jié)論顯示流量相同的條件下，消能率會(huì)隨著齒墩長(zhǎng)度的增大先減小、后增大、再趨于穩(wěn)定。張澤[4]的研究還顯示，在面積收縮比相同的條件下，消能率會(huì)隨著齒墩數(shù)目的增加而減小，且在4個(gè)齒墩情況下具有最好的抗空化效果。李斌[5]的研究結(jié)果顯示，在其他條件相同時(shí)，二級(jí)齒墩比一級(jí)齒墩的消能效果要好，同時(shí)齒墩間距大于100 cm 時(shí)，旋轉(zhuǎn)角對(duì)消能率的影響極為有限。在前期研究成果的基礎(chǔ)上，本文利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同齒墩間距下的消能特征進(jìn)行研究，以獲得最佳齒墩間距。

1 計(jì)算模型的構(gòu)建1.1 工程布置與模擬參數(shù)

參照宋佳杰[6]在相關(guān)研究中使用的數(shù)值模擬計(jì)算幾何模型，本次模擬設(shè)計(jì)水頭為3 m，管道長(zhǎng)度為370 cm。二級(jí)齒墩內(nèi)消能工位于模型的中部，前面設(shè)計(jì)為110 cm的長(zhǎng)度，使水流達(dá)到第一級(jí)齒墩部位時(shí)呈近似均勻流狀態(tài)，在第二級(jí)齒墩的后面留有213 cm的長(zhǎng)度，以保證出流水流具備足夠的發(fā)展變化空間。根據(jù)前文所述的研究成果，齒墩個(gè)數(shù)為4個(gè)，齒墩高為3.75 m，長(zhǎng)13.50 cm，面積收縮比為0.5。

1.2 模型的構(gòu)建

模型創(chuàng)建是流體數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合本次研究對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)以及相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，采用AutoCAD三維建模軟件進(jìn)行研究對(duì)象的幾何建模，利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建[7]。一般情況下，模型的網(wǎng)格劃分越密集，計(jì)算精度越高，但是計(jì)算量也會(huì)急劇增大，因此，本次研究基于軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，全部采取非結(jié)構(gòu)化的活動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分[6]，劃分過程中設(shè)定網(wǎng)格間距為10 mm，最終獲得294 110個(gè)網(wǎng)格單元，244 268個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

1.3 邊界條件

結(jié)合本次研究的實(shí)際情況以及本領(lǐng)域的研究成果，設(shè)定如下邊界條件：對(duì)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(jù)模型入口部位的設(shè)計(jì)流量，計(jì)算入口邊界均勻來流條件。對(duì)于模型的出口，設(shè)置壓力出口邊界條件，模型下游出口處的水流可以自由發(fā)展，沒有回流現(xiàn)象出現(xiàn)；模型設(shè)置為無滑移的固壁邊界條件。

1.4 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述，當(dāng)齒墩間距大于100 cm時(shí)，旋轉(zhuǎn)角對(duì)消能率的影響極為有限，因此在數(shù)值模擬研究中選取40 cm、60 cm、80 cm和100 cm四種不同的齒墩間距方案，對(duì)每種方案分別選取18 L/s，27 L/s，36 L/s三種不同的流量進(jìn)行模擬計(jì)算，總共需要進(jìn)行12個(gè)組次的計(jì)算。

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 消能率分析

顯然，設(shè)計(jì)為二級(jí)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(biāo)，其計(jì)算公式如式(1)。

(1)

式中：η為消能率；hW為消能前后水頭差，m；H為總水頭，m。

利用式(1)對(duì)不同計(jì)算組次下的齒墩消能工的消能率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同組次下的消能率計(jì)算結(jié)果

利用表1中的數(shù)據(jù)，以齒墩間距為橫坐標(biāo)；以消能率為縱坐標(biāo)，獲得不同流量條件下的消能率隨齒墩間距的變化曲線，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在相同流量條件下，齒墩間距對(duì)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(shí)，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。

圖1 消能率與齒墩間距關(guān)系曲線

2.2 時(shí)均流速變化

利用模型計(jì)算的方法獲取管道中心軸部位的時(shí)均流速，繪制出如圖2～圖4所示的不同流量和齒墩間距條件下的管道中心軸時(shí)均流速分布曲線。由圖可知，在相同齒墩間距條件下，模型中心軸時(shí)均流速分布在不同流量條件下呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律。具體而言，在第一齒墩前各方案的時(shí)均流速基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。究其原因，主要是水流達(dá)到第一齒墩前的沿程管道面積保持不變，流速分布比較均勻，變化幅度非常小。在兩級(jí)齒墩的進(jìn)口部位中心軸時(shí)均流速變化劇烈，并在齒墩內(nèi)部達(dá)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，流速相應(yīng)增大，在水流流出齒墩部位后，斷面恢復(fù)正常，流速則逐漸變小并恢復(fù)穩(wěn)定，在各個(gè)方案下，中心軸流速均在二級(jí)齒墩出口以下約80 cm處趨于平穩(wěn)。

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(jìn)口至一級(jí)齒墩出口之間的時(shí)均變化特征基本相同，二級(jí)齒墩部位的最大流速相比一級(jí)齒墩部位更大，且隨著齒墩間距的增加，二級(jí)齒墩部位的最大流速逐漸減小。從計(jì)算結(jié)果來看，在流量為36 L/s，齒墩間距分別為40 cm、60 cm、80 cm和100 cm條件下，二級(jí)齒墩部位的最大流速與一級(jí)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 L/s和18 L/s，齒墩間距分別為40 cm、60 cm、80 cm和100 cm條件下，二級(jí)齒墩部位的最大流速與一級(jí)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100 cm時(shí)，兩級(jí)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(jí)齒墩之間的影響就越小，當(dāng)齒墩間距增大到100 cm時(shí)，兩級(jí)齒墩之間的影響微乎其微，可以忽略不計(jì)。

圖2 18 L/s中心軸流速分布圖

圖3 27 L/s中心軸流速分布圖

圖4 36 L/s中心軸流速分布圖

2.3 紊動(dòng)能分布規(guī)律

高速水流經(jīng)過齒墩式內(nèi)消能工過程，僅有一小部分能量通過水流與消能工摩擦轉(zhuǎn)化為熱量散失，其余大部分能量則在經(jīng)過齒墩后由于剪切力的作用轉(zhuǎn)化為紊動(dòng)能。因此，通過對(duì)二級(jí)齒墩紊動(dòng)能的分析，可以進(jìn)一步了解齒墩式內(nèi)消能工消能特點(diǎn)與內(nèi)在機(jī)理。鑒于管道內(nèi)水流紊動(dòng)能主要是由于水流經(jīng)過齒墩過程中的剪切效應(yīng)產(chǎn)生的，因此其變化主要位于兩級(jí)齒墩的后方。因此，研究中在兩級(jí)齒墩的出口0.4D位置各選擇一個(gè)典型斷面，對(duì)紊動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。由表格中的計(jì)算結(jié)果可知，在不同齒墩間距條件下，二級(jí)齒墩出口斷面的紊動(dòng)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(dòng)能的變大導(dǎo)致紊動(dòng)消耗的能量變多，因此消能率也明顯增加；二級(jí)齒墩出口斷面的紊動(dòng)能最大值明顯大于一級(jí)齒墩出口部位的紊動(dòng)能最大值，前者約為后者的2.4～2.5倍。

表2 典型斷面紊動(dòng)能計(jì)算結(jié)果 m2/s2

3 結(jié) 論

研究齒墩式內(nèi)消能工結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其消能效果影響，對(duì)促進(jìn)該消能工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高其工程應(yīng)用價(jià)值具有重要意義。本文以數(shù)值模擬的方式對(duì)兩級(jí)消能工齒墩間距對(duì)消能效果的影響進(jìn)行研究，并獲得如下主要結(jié)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(shí)，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(shí)均流速分布在不同流量條件下呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律。在第一齒墩前各方案的時(shí)均流速基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，在兩級(jí)齒墩的進(jìn)口部位中心軸時(shí)均流速變化劇烈，并在齒墩內(nèi)部達(dá)到最大值，在二級(jí)齒墩出口以下約80 cm處趨于平穩(wěn)。

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

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