二相流數值模擬在泄洪洞空蝕研究中的應用

向賢鏡，袁 強

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國長江三峽集團有限公司重慶分公司，重慶 401123）

1 引言

立洲水電站系木里河干流（上通壩—阿布地河段）水電規劃“一庫六級”的第六個梯級，上游接固增水電站，下游為錦屏一級水電站庫區，壩址區位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內博科鄉下游立洲巖子至八科索橋2.4 km的河段。電站屬二等大（2）型水電工程，樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪系統、右岸地下長引水隧洞及右岸地面發電廠房組成。水庫正常蓄水位2 088 m，正常蓄水位以下庫容1.787億m3，最大壩高132.0 m，電站裝機容量355 MW，多年平均發電量為15.46 億kW·h，開發任務以發電為主。

該水電站的泄洪洞出現空蝕破壞。運用三維數值模擬，對泄洪洞跌空蝕情況進行研究。泄洪水流的數值模擬涉及水氣二相流問題。由于水氣二相流問題本身就很復雜，同時水舌的邊界事先都是未知的，邊界確定比較困難，所以它一直是計算流體力學的難點［1-5］。在前人研究的基礎上，采用雙方程紊流模型，引入水氣二相流的 VOF 模型，運用 PISO［6］算法，對泄洪水流進行了三維非恒定流數值模擬。

2 三維數值模擬

2.1 模型建立

按1∶1 實際尺寸建立三維模型。坐標系中Y 方向為鉛直方向，Y 坐標值即為高程值，X 軸正方向為水流方向，Z 軸方向為垂直水流方向。YZ 平面對應泄洪洞起始面。模擬范圍為一整個泄洪洞區域，并從泄洪洞起始面向上游延伸5 m。

采用VOF 方法追蹤自由水流表面，紊流模型選擇RNG 模型，速度壓力耦合采用PISO 算法。模型分區域劃分網格，全部使用結構化網格，網格扭曲率控制在0.45 以內。網格尺寸最小為0.2 m、最大為0.4 m，單元體總數12萬個左右。模擬計算采用非恒定流算法逼近恒定流穩定解，時間步長取0.001。水流入口采用壓力進口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，對進口采用明渠流邊界限定。所有氣體邊界都采用壓力邊界條件，其上的壓力為大氣壓值。壁面邊界設為無滑移邊界條件，黏性底層采用標準壁函數法處理。

本數值模擬采用Gambit 軟件建立模型，Fluent軟件進行流體水力學計算，Tecplot軟件進行后處理。

圖1為原體型模型三維立體圖，圖2為原體型模型網格剖分圖。圖3為體型二示意圖，圖4為體型三示意圖。體型二在原體型的基礎上，混凝土從跌坎處向下游方向延伸1 m。體型三在原體型的基礎上，混凝土從跌坎處向下游方向延伸1.3 m。

圖1 原體型模型三維立體

圖2 原體型模型網格剖分

圖3 體型二示意

圖4 體型三示意

2.2 計算工況

本次數值模擬計算共分2個工況。

工況1：上游水位為校核洪水位2 090.38 m，閘門全開。

工況2：上游水位為正常蓄水位2 088.00 m，閘門開度2 m。

各工況未考慮設通氣孔。

2.3 計算結果及分析

圖5—10 為各工況下泄洪的壓強分布圖，不同的壓強用深淺不同的顏色表示。縱坐標為高程。坐標單位為m，壓強單位為kPa。

圖5 原體型閘門全開時壓強分布（單位：kPa）

圖6 體型二閘門全開時壓強分布（單位：kPa）

圖7 體型三閘門全開時壓強分布（單位：kPa）

圖8 原體型開度2 m時壓強分布（單位：kPa）

圖9 體型二開度2 m時壓強分布（單位：kPa）

圖10 體型三開度2 m時壓強分布（單位：kPa）

由圖5—10 可知，3 種體型在2 m 閘門開度時均無負壓出現。在閘門全開工況下，原體型在跌坎附近出現負壓；體型二在閘門全開時在跌坎處出現負壓，負壓大小和分布與原體型類似；體型三在閘門全開時在跌坎處出現負壓，負壓分布與另2 個體型類似，但負壓值更大。

3 結語

原體型到體型一到體型三，跌坎位置向下游移動，跌坎高度增加。假設跌坎位置移動到泄洪洞出水口，則與空氣接觸，無負壓產生。假設跌坎高度增加很大，則類似于瀑布，應該幾乎沒有負壓產生。如果沒有跌坎，水體應該是充滿洞體無負壓的。而跌坎從原體型下移到體型三，跌坎高度增加時負壓增大，最終下移到水口時負壓又變為0。所以，閘門開度比較大時可以認為在一定范圍內，隨著跌坎位置的下移或跌坎高度的增加，負壓值先增大后減小，呈開口向下的拋物線分布。

綜上，該研究對于其他工程類似問題也有著重要的參考價值。