基于CFD的豎井消能泄洪洞數值模擬

劉長勇

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

豎井消能按照水流運動狀態可分為旋流消能和跌流式消能[1]。跌流式豎井消能目前應用的工程實例較少，相應的經驗和研究也不多，水流跌落對底板的沖擊問題較難解決。旋流式消能工種類很多，按水流進入旋流發生裝置的方式分，有單旋和雙旋消能(包括同向和反向)，后者結構復雜[2]。在工程上較實用的是單向旋流消能，即設計成水流繞豎井軸旋轉流動的“旋流豎井”和水流經豎井降落后繞水平洞軸線旋轉流動的“豎井-水平旋流”兩種泄洪洞[3]。

水平旋流式內消能工，其引水道軸線和泄水道軸線不在同一平面內，水流在慣性作用下，經過起旋器改變流向，沿泄水道軸線向下游水平運動，同時又沿環向做旋轉運動，通過繞水平洞軸線的強烈紊動來消耗一部分水流能量[4]。

國外對豎井式消能泄洪洞的研究起步較早，20世紀50年代，低水頭、小泄量的豎井跌流式消能溢洪道在美國和西歐國家就被廣泛應用，其中引水道進口大多數為喇叭形進口[5-7]。20世紀60年代，意大利的C.Drioli和法國的D.Jeanpierre等對旋流式豎井泄洪洞進行了一些早期的研究，并應用在部分泄量不大的小型水利工程的緩流引水道中，如意大利的蒙特阿金托(MonteArgento)、娜尼(Narni)、柯邦斯(Curbans)等水利工程。

1 工程概況

某水電站位于一級支流上，水電站工程以發電為主，樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、右岸泄洪兼導流洞、左岸溢洪洞、左岸引水發電系統及電站廠房組成。水電站裝機容量3×18 000 kW，總庫容4.21×108m3，壩頂高程3998.50 m，最大壩高120.80 m，水庫正常蓄水位3995.60 m，校核洪水位3997.30 m。樞紐工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型工程，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級，因混凝土面板堆石壩壩高超過90 m，提高一級為1級建筑物。水電站泄洪兼導流洞布置于右岸，原設計泄洪洞以“龍抬頭”形式與導流洞銜接。導流洞室為城門型無壓洞，洞徑5.5 m×7.0 m(寬×高)，進口底板高程為3902.00 m，洞出口底板高程為3894.60 m，洞身總長為592.00 m，設計最大下泄流量為227.10 m3/s。

2 材料與方法

2.1 豎井泄洪洞初步設計體形概況

水電站豎井消能泄洪洞中泄洪洞進水口、豎井引水道、豎井和退水洞體形尺寸如圖1所示。泄洪洞與導流洞結合段長度為50 m。計算模型上、下游水體體形簡化為長方體，為避免邊界條件影響計算結果，水體模型邊界盡量遠離泄洪洞進出口。

圖1 豎井消能泄洪洞計算模型圖(單位:m)

2.2 網格劃分

計算單元網格整體計算域采用結構化網格劃分，泄洪洞進水口、豎井引水道、旋流豎井、退水洞和導流洞按0.5 m尺寸剖分單元，上、下游水體適當變疏，按1.0 m剖分，共有節點150 693個，單元134 845個。

2.3 邊界條件及算法設置

上游進口設為壓力進口邊界，給定水位高程為3992.00 m；下游出口設為壓力出口邊界，給定水位高程為3900.62 m；起旋室頂設為空氣壓力進口邊界，模型其他外邊界均為壁面邊界，黏性底層采用壁面函數法處理。采用有限體積法，迭代方式為隱格式迭代求解，壓力速度耦合采用適用于強旋轉流的PISO算法，離散格式采用QUICK格式，使用VOF法捕捉自由水面，利用標準k-ε紊流模型，實現豎井泄洪洞的三維數值模擬。

3 初步設計體型計算及分析

3.1 初設體型的計算結果

依據該水電站豎井消能泄洪洞初步設計體形模型，設置計算時間步長為0.05 s，當計算至1000步時，模型進水口流入流量為225.9 m3/s，出水口流出流量為227.1 m3/s，進、出水口流量相差1.2 m3/s，且流量基本恒定，說明模型已計算收斂。三維數值模擬計算進水口流量與公式計算流量231.0 m3/s相差5.1 m3/s，差別不大，不到2.3%，滿足不小于200 m3/s流量要求，計算精度也滿足要求。流態計算結果如圖2所示，云圖中最小值“0”表示為水，最大值“1”表示為空氣，最小值“0”和最大值“1”之間的區域為水和空氣的混合體，云圖對應的數值表示空氣在混合體所占的比例，即含氣量。

圖2 初步設計體形豎井消能泄洪洞流態計算結果云圖

由計算結果可以看出，水流在進入豎井前，基本為水氣分離狀態；水流進入豎井后，在豎井邊壁附近形成水氣混合體，從上游到下游混合體含氣量逐漸變小。

流速計算結果如圖3所示，由計算結果可以看出，水流在進入豎井前，流速在20～24 m/s之間，水流在導流洞內的流速從上游到下游逐漸減小，在距豎井出口約20 m處平均流速降為25 m/s，在導流洞末端流速約15 m/s。

圖3 初步設計體形豎井消能泄洪洞流速計算結果矢量圖

壓力計算結果如圖4所示，由計算結果可以看出，水流在泄洪洞工作閘門以前、豎井進水口部位以及豎井消力池底部壓力較大，其他部位壓力均較小。豎井進水口部位最大壓力約220 kPa，豎井消力池底部壓力最大值約280 kPa，在豎井和出水口交接處的頂部有最大值約-61.2 kPa的負壓。

圖4 初步設計體形豎井消能泄洪洞壓力計算結果云圖

流線計算結果如圖5所示，由計算結果可以看出，由進水口進入豎井的水體，其上表部在豎井內旋轉約兩圈，底部在豎井內旋轉約一圈。

圖5 初步設計體形豎井消能泄洪洞流線計算結果

3.2 最優下挖消力池深度的確定

在豎井消能泄洪洞結構中，消能豎井的下挖消力池深度對豎井出水口的流態和流速有很大影響。若下挖消力池深度過小、水墊較淺，會使水流未完全摻合便進入出水口，消能率較低；若下挖消力池深度過大、水墊較深，會使消力池內的水流不能產生較高的旋轉流速，消力池內只有豎直向流速水流相摻合，消能率也較低。只有當下挖消力池深度適中其消能率最高，此時的深度為最優消力池深度。但最優下挖消力池深度的設計，沒有可參考的資料和經驗，只能通過大量的試算來確定。

經過對該水電站豎井消能泄洪洞不同豎井下挖消力池深度的模型計算分析，可以得出不同消力池深度計算的進水口流量均為225.9 m3/s，說明消力池深度對泄量影響，均能滿足泄量要求。消力池深度對下游導流洞的流態影響較大，當消力池深度在3.0～3.5 m時，導流洞內上部為空氣、下部為摻氣量較小的水氣混合體，流態較好；當消力池深度3.0 m或3.5 m時，導流洞全斷面均為摻氣量較大的水氣混合體，流態較差。豎井消能率為原龍抬頭計算流速減去數值模擬計算流速，之差除以數值模擬計算流速。

不同消力池深度計算的豎井出水口流速和豎井消能率見表1，豎井出水口流速和消能率隨消力池深度的變化規律分別如圖6和圖7所示。由計算>結果可以看出，下挖消力池深度對豎井出水口流速和豎井消能率影響較大，當消力池深度為3.0 m時，出水口流速最小、消能率最大，但流速分布不均勻；當消力池深度為3.5 m時，出水口流速較小、消能率較高，且流速分布比較均勻。

表1 不同消力池深度計算的豎井出水口流速和豎井消能率

圖6 出水口流速隨消力池深度變化圖

圖7 豎井消能率隨消力池深度變化圖

4 結 論

(1)初步設計體形流量計算結果與公式計算結果相差很小，滿足原設計泄量要求，選定工作閘門孔口尺寸合適。

(2)水流經豎井旋流消能后，在豎井出水口部位摻氣量比較大，能夠達到防空蝕的目的，但高摻氣量使下游導流洞內為全斷面有壓流，且水流比較混亂。

(3)在豎井出水口部位水流最大流速約28.6 m/s，出口流速仍較大；與“龍抬頭”式泄洪洞最大流速33.8 m/s相比，消能率約為30%，消能率較低。

(4)水體在豎井內產生的壓力值均較小，水壓力不是決定體形選擇的決定性因素。

(5)初步設計體形能夠使豎井進水口水流起旋，并在豎井內旋轉比較充分。

綜上所述，豎井消能泄洪洞初步設計體形滿足泄量要求，水體在豎井內旋轉較充分，能達到摻氣防空蝕的目的，且豎井內水壓較小，但也存在豎井出水口流速較大、消能率較低、流態較差和負壓較大的問題，應根據計算結果對設計體形做進一步優化設計，以便更好地判斷豎井消能泄洪洞在本工程的適用性。