寬大泄槽摻氣結構數值模擬研究

別玉靜，李浩田

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 前 言

泄洪建筑中無論是溢洪道或泄洪洞，都存在寬大泄槽高速水流摻氣難的問題[1]，解決好寬大泄槽的摻氣問題，有利于泄洪系統的運行安全[2]，常規的泄槽摻氣結構主要依靠邊墻兩側開孔的方式向水流摻氣[3-4]，但寬大泄槽中部摻氣效果較差，這種現象隨著泄槽寬度的增大，愈發顯著。摻氣盲區的結構在高速水流作用下，易發生空蝕破壞，影響泄槽運行安全[5]。本文主要依托某水電站工程，對泄槽摻氣結構進行優化，以解決泄槽中部摻氣的難題。

1 計算模型與邊界

本次數值模擬采用k-ε紊流模型和VOF法計算溢洪道的一級摻氣坎。針對溢洪道摻氣坎建立三維數學模型，泄槽寬度為50 m，底坡i=7.5%，挑坎高Δ=3.5 m，挑坎坡度1∶16。采用結構化網格劃分，模型網格數量337萬，摻氣坎兩側邊墻設置2 m×2 m的矩形摻氣槽，跌坎內側設有6個通氣孔作為中部補氣管，通過兩根圓形摻氣管與大氣連通，支管間距為4 m。進出口邊界條件分別為速度進口和壓力出口，壁面采用無滑移邊界。

2 摻氣管管徑對摻氣空腔的影響

分別計算了以下情況，計算結果見圖1和表1，計算結果提取挑坎下游0.5m處斷面。①支管管徑均為0.8m，泄量為6 000 m3/s的情況下，主管管徑為1.0、1.1、1.2 m時摻氣空腔的變化；②主管管徑均為1.2m，泄量為6000 m3/s情況下，主管管徑為0.6、0.8、1.0m時摻氣空腔的變化。

表1 不同摻氣結構尺寸下摻氣空腔大小(取泄槽中部縱斷面)

圖1 不同摻氣管管徑下溢洪道摻氣坎下游0.5 m處水-氣流狀態

研究摻氣管結構在不同尺寸下，摻氣空腔的變化情況，可以發現，隨著主管管徑增大，混合空腔長度和純空腔長度增大，積水深度減小，說明主管直徑越大，摻氣效果越好；對于摻氣支管來說，隨著支管管徑的增大，混合空腔長度、空腔長度和積水深度并沒有呈現明顯的規律，但可以看出，在摻氣支管0.8m時，混合空腔長度最大，積水深度最小，因此推薦選擇摻氣主管直徑1.2 m，6個支管直徑0.8 m組合作為溢洪道摻氣結構的設計組合。

3 優化后的結構驗證

為驗證優化后的摻氣結構實用性，在不同泄量下的摻氣情況是否滿足規范與運行要求，分別計算了小泄量(3 000 m3/s)和大泄量(9 000m3/s)情況下的摻氣情況，見圖2。可以看出，在合理的工程調度前提下，該結構的適應性較好。

在3 000m3/s的泄量下，所有的摻氣孔均通氣良好，橫縱斷面均顯示出明顯的摻氣空腔，且空腔穩定，表明摻氣效果良好，泄槽中部存在較大的水氣混合空腔，起到了對中部摻氣的效果。在9 000 m3/s的大泄量下，僅有邊墻兩側的矩形摻氣孔和挑坎上靠近中部的圓形摻氣孔通氣良好，其余4個摻氣孔均充滿水氣摻混物，且中間部位有回流產生，說明兩側的摻氣得到了改善，但中部20 m范圍內，摻氣效果仍然較弱。

4 總 結

傳統的邊墻兩側布置摻氣槽的方式，寬大泄槽中部摻氣效果較差，通過在摻氣坎中部增加摻氣圓管的方式，很好地解決了泄槽中部摻氣問題[6]。計算結果表明，優化后的摻氣結構作用明顯，可以為工程安全運行提供可靠保障。

在確定摻氣管數量后，研究不同摻氣管管徑對摻氣空腔的影響，結果表明，泄槽中部的摻氣對摻氣主管管徑變化較為敏感，主管管徑越大，對中部的改善效果越好，對摻氣支管的管徑變化不敏感。最終得到的最佳組合為：摻氣主管直徑1.2 m、摻氣支管管徑0.8 m。

經過優化的摻氣結構對泄槽中部摻氣起到了作用，尤其是在中、小泄量的情況下，對泄槽中部摻氣改善明顯。摻氣孔的摻氣效果受到泄量影響較大，大泄量情況下，泄槽中部20 m范圍內的摻氣效果仍然較弱，存在空蝕空化破壞可能性較大，還有待進一步深入研究。

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