通氣孔型式對超寬泄槽的摻氣影響研究

李浩田，別玉靜，顧太歐

（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 引言

泄水建筑物垂直水流方向寬度大于35 m 的泄槽，可以定義為超寬泄槽。超寬泄槽在大流量的溢洪道工程中較為常見，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，這種摻氣方式只能對靠近邊墻兩側10～15 m 范圍內的水流摻氣，且摻氣能力由兩側向中間減弱，在寬槽的中部，存在較大范圍的摻氣盲區。對于寬度越大的泄槽，摻氣盲區的范圍越大，摻氣盲區的結構在高速水流作用下，極易發生空化空蝕破壞，影響泄洪系統的運行安全[1]。鑒于此，本文主要致力于研究摻氣均勻性差的難題。

本文應用數值模擬，計算原理采用兩方程模型RNGk-ε[2]進行迭代計算。對泄槽的不同通氣孔面積在不同高程下，水流流態、水力特性進行詳細分析研究，總結出摻氣面積對泄流摻氣的影響，可以用于其他工程參考和應用。

1 工程概況及模型簡介

某水電站由鋼筋混凝土面板堆石壩、左岸開敞式溢洪道、右岸泄洪洞、右岸地面廠房及引水系統組成，工程規模為Ⅱ等大（2）型工程。溢洪道總體長約1.26 km，泄槽段共布置三級摻氣坎如圖1所示。此次數值模擬采用局部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，泄槽底坡i=7.5%，挑坎高△=3.5 m，挑坎坡度1∶16。計算區域包括挑坎上游117.5 m，挑坎段21.5 m，摻氣坎下游171.0 m，總長310.0 m，寬度為50.0 m。

圖1 溢洪道整體平面圖

2 計算原理

2.1 計算方法

采用有限體積法，對數學方程式進行迭代計算，水面波動形態采用水汽兩相流方式進行捕捉，壓力速度耦合方程采用對瞬態收斂較好的PISO算法[3]，其中體積分數采用二階格式計算，其余采用一階格式。

2.2 計算區域與網格劃分

計算模型有5 種摻氣方案，區別在于跌坎內側的摻氣圓管數量不同。不同的計算模型，計算區域的選取和劃分網格的方法基本相同，以6 個摻氣圓管方案為例，簡要說明計算區域與網格劃分原則。模型中間部位設有摻氣坎，摻氣坎邊墻兩側設有矩形摻氣槽，跌坎內側設有圓形摻氣管。模型的網格數量為340 萬。

2.3 邊界條件

邊界條件設置：速度進口，取斷面平均速度；壓力出口，設置為當地大氣壓，保證出口水流為均勻流；無滑移壁面，混凝土襯砌渠道粗糙高度取0.8 mm。

進出口邊界條件中的參數均采用湍動能k和湍動能耗散率ε，由明渠流經驗公式確定：

其中：vm為進口速度，m/s；H0為進口水深，m。迭代計算過程中，可適當調節松弛因子，加快收斂。

3 方案對比

由于摻氣空腔與摻氣管面積有關，為探求二者之間的關系，逐步增加跌坎內側的摻氣管數量，計算溢洪道泄量為6 000 m3/s 下的不同摻氣管面積對應的結果。

在摻氣坎內側對稱設置2，4，6，8 個圓孔摻氣管，計算后提取泄槽2 個縱剖面：泄槽中間對稱面x=0+0.00 m，泄槽1/4 位置處的縱剖面x=0+12.50 m。對縱斷面的流態、速度以及摻氣形態進行分析。縱斷面的流態如圖2 所示。

根據上述4 種摻氣體型方案的計算結果可以得出，增加中部摻氣圓管會使泄槽中部的摻氣效果得到改善，但并非呈現中部摻氣圓管數量越多摻氣效果越好的規律。6 孔摻氣方案與8 孔摻氣方案的摻氣效果不相上下，均優于4 孔摻氣方案和2 孔摻氣方案。

由于摻氣設置的摻氣效果與摻氣孔的面積有關，因此，取0/2/4/6/8 摻氣圓管方案的數據，分析這5 種摻氣體型下，摻氣濃度與摻氣孔面積之間的關系。由于泄槽寬度較大，部分工況摻氣空腔不穩定，無法量化水流的摻氣效果，因此，采用摻氣濃度來反應各工況運行情況下泄槽水流摻氣情況[4]。摻氣濃度取中間縱斷面，泄槽1/4 縱斷面和靠近邊墻的泄槽縱斷面的摻氣濃度平均值，通氣孔面積為單側向矩形通氣孔面積與單側泄槽中部圓形摻氣孔的面積之和。先做出散點圖，然后根據散點圖擬合出散點的冪函數關系曲線。

由上述分析可以得出：在跌坎內側加入摻氣圓管后，摻氣效果明顯增強。摻氣濃度與摻氣面積成遞增關系，當摻氣面積小于3.5 m2時，摻氣濃度受摻氣面積影響很大；當摻氣面積大于3.5 m2時，摻氣面積增加，摻氣濃度小幅度增加，并且逐漸趨于平穩。所以，當泄槽中部的摻氣圓管達到一定數量和面積值時，泄槽的摻氣效果趨于穩定。擬合出公式：

圖2 4 種方案水面線圖

式中：c為水流平均摻氣濃度值；A為單側摻氣孔面積，m2。

由上述分析可以得出，在一定范圍內，泄槽的摻氣效果受到摻氣孔面積的制約，超出該范圍后，摻氣孔面積對摻氣效果的影響微弱。

4 結論

本文對超寬泄槽的摻氣影響因素進行研究，得出以下結論。

1）采用數值模擬方法對溢洪道泄槽局部摻氣設施進行模擬研究，可以較為客觀地反應出泄槽內水面流態以及摻氣坎附近的三維水力特性。

2）通過恒定流量下的4 種摻氣方案對比，可以得出：隨著摻氣孔數的增加，摻氣面積隨之增加，摻氣效果逐漸增強。

3）通過對超寬泄槽的不同摻氣結構進行研究，超寬泄槽的中部位置摻氣效果不佳，在泄槽中部設置通氣管可以改善摻氣效果，通氣孔面積存在最優值，通氣孔面積超過此最優值時，水流的摻氣濃度區域穩定，摻氣濃度值不會繼續增加。