導流泄洪洞射流-旋流梯級內消能工設計與數值模擬

劉德華

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110000）

1 概述

梨樹園子水電站是一座以發電為主，兼具其他功能的小型徑流式水電站[1]。該電站為愛河梯級開發最末一級工程。梨樹園子電站的設計庫容為1 800 萬m3，裝機總容量為22 400 kW。水電站主要由混凝土重力壩、溢流壩、導流泄洪洞、引水系統和電站廠房構成[2]。其中，導流泄洪洞主要承擔工程建設期間的導流任務和電站運行期間的泄洪與放空任務。按照工程設計，施工建設期間的導流流量為183.00 m3/s，電站運行期間的設計泄洪流量為360.13 m3/s，校核洪水流量為1 167.78 m3/s。

導流洞改建為泄洪洞可以充分發揮導流洞的作用和價值，有效節省施工投資，改建過程中必須要考慮泄洪流量增大帶來的消能問題，消能主要有洞內消能和洞外消能[3]。其中，洞內消能主要通過導流泄洪洞洞內體型的優化設計，實現水流的旋轉和突變，達到消能目標，這種消能方式具有布置靈活、經濟性好和消能率高的特點，是導流泄洪洞消能設計未來發展方向[4]。但是，梨樹園子水電站水頭高，僅采用單一的消能方式并不能有效解決導流泄洪洞的消能問題。基于此，此次研究采用分級消能的思路，提出射流-旋流梯級內消能工，并通過數值模擬的方式對合理性與可行性進行驗證。

圖1 射流-旋流梯級內消能工體型設計示意圖

2 射流-旋流梯級內消能工

結合梨樹園子水電站導流泄洪洞的實際情況，充分借鑒西安理工大學鄧流宸等人的研究成果[5]，提出導流泄洪洞射流-旋流梯級內消能工。該消能工主要由射流段、豎井段以及旋流洞段組成，其具體的工程設計如圖1 所示。

射流段主要包括進水口、收縮段以及消能段。在具體設計中，按照導流泄洪洞的校核流量進行洞徑的計算，并設置一定的計算冗余量，以保證導流泄洪洞的整體安全，最終確定該段洞徑為9.60 m；結合引水隧洞進口段設計經驗，該段采用長軸和短軸分別為9.60 m和3.20 m的橢圓曲線進行截面設計。收縮段的水流流速快，流態復雜，是整個射流段的設計核心，其體型的設計質量和水平對整體消能效果存在顯著影響，通過各種設計體型的反復對比，最終確定為收縮阻塞體型，長度為7.80 m，孔口直徑為6.30 m，收縮比按0.435；據相關設計經驗，按洞徑的5倍設計消能段的長度，最終確定為60.00 m。

豎井段是消能結構的連接段，同時也是設計優化的關鍵部位，按照校核洪水條件下的流量，該段長度設計為108.00 m，直徑為14.00 m；下游收縮段的長度設計為4.20 m，收縮后的洞徑為9.60 m。

旋流洞段是消能工3 個主要組成部分的最后一段，該段主要由旋流段、阻塞段、擴散及退水洞段組成。其中，旋流段主要通過起旋器使下瀉水流旋轉消能，該段的設計洞徑為10.80 m，起旋器的進口直徑設計為5.70 m；阻塞段的主要功能是通過增加水流壓力，實現水流減速消能，同時防止起旋器部位出現負壓，該段的設計直徑為3.75 m，長度為10.20 m。旋流擴散段以及退水洞段均按照無壓隧洞設計，其中退水洞段即為原來的導流洞改造而成。此外，在旋流段上方設置有5 個直徑為3.20 m 的通氣孔，可以實現對高速水流的摻氣，盡量避免水流造成的空化和空蝕破壞。在孔距的設置方面，前4 個排氣孔間距為12.00 m，后一個為15.00 m，總長度為51.00 m。

3 數值模擬分析

3.1 數值模擬模型

為了分析和驗證提出的射流-旋流梯級內消能工的消能效果，利用fluent 軟件進行數值模擬研究[6]。該模型具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及十分強大的前處理和后處理功能，可以引導用戶從頭至尾完成模擬過程，使模擬計算過程變得十分容易。

由于消能工的尺寸比較大，整體建模不僅會顯著增加計算量，同時也不利于計算精度的提升。因此，研究中基于兩級消能的實際特點，對射流消能段和旋流消能段進行分段模擬。其中，射流消能段的長度為136.40 m，旋流洞消能段的長度為265.85 m，整合模型的模擬長度為402.25 m。模型的網格劃分為結構和非結構網格兩種主要形式，結合實際，對起旋器采用非結構網格，其余部分采用結構網格進行劃分[7]。第一段模型的進口為壓力進口，按照上游水位條件計算，旋流段進口條件為流速條件，設定流速為5.94 m/s。射流、豎井和旋流洞出口均為壓力出口條件。模型的網格劃分和邊界條件如圖2 所示。

圖2 模型網格劃分與邊界條件

流場計算中常用的方法主要有SIMPLE 算法、改進SIMPLE 算法及PISO 算法。本文主要是處理旋轉水流問題，PISO 算法具有較好的計算效果，所以此次模擬的計算方法的算法選擇PISO 算法。由于研究中的孔口射流以及旋轉流均為自由表面的氣水兩相流，因此選取VOF 法進行自由表面處理。

3.2 計算結果與分析

3.2.1 流速

利用已構建的模型對各段的流速進行模擬計算，獲得如圖3所示的流速矢量分布圖。由圖3可以看出，水流的流速和流態在射流消能段進口部位呈現出比較明顯的規律性，在前洞壁的兩側存在漩渦與回流現象，但是尺度相對較小，不會產生比較明顯的影響。受到消能段的影響，水流速度明顯降低，并按照射流的方向進入豎井段。從流速的計算結果來看，該段流速的最大值為24.00 m/s，一般在20.00～21.00 m/s之間，在擴散段，水流形成了數量較多的漩渦，并隨著水流的擴散而逐漸消散。

3.2.2 紊動能

利用已構建的模型對各段的紊動能進行模擬計算，獲得如圖4 所示的紊動能云圖。從計算結果來看，各段的紊動能存在比較明顯的差異，其中射流進口段水流的紊動能強度較小，而擴散段水流的紊動能最大，最大值為12.1 m2/s2。由此可見，射流擴散段存在十分強烈的水流紊動作用，可以產生十分明顯的消能效果。隨著水流進一步向下游流動，紊動能也呈現出逐漸減小的趨勢，并在尾水段逐漸趨于穩定。此外，旋流消能段的水流紊動雖然不及射流消能段，但是其水流紊動能也達到了1.3～9.2 m2/s2，且空腔與水流交界部位最大，說明該部位具有較為強烈的水流紊動作用。

圖3 流速矢量圖

圖4 紊動能云圖

3.2.3 消能率

利用數值模擬計算的部分結果，計算獲取如表1 所示的消能工總消能率。由表1 可知，設計的消能工消能率介于72.4%～83.4%之間。同時，電站上游的水位高度越高，其消能率越大，消能效果也更為顯著。由此可見，設計的射流-旋流梯級內消能工消能效果良好。

表1 消能率計算結果

4 結語

綜上所述，針對遼寧丹東梨樹園子水電站導流洞改建泄洪洞消能問題而提出的射流-旋流梯級內消能工，其射流擴散段和旋流擴散段具有較大的水流紊動能，流速和流態變化比較劇烈，其余部位的流速和液態相對比較穩定，紊動能變化較小，總消能率在72.4%～83.4%之間，具有良好的消能效果，可以在工程設計中應用。