基于水氣兩相模擬的薄水舌、大落差水力特性分析及結(jié)構(gòu)影響分析

毛延翩，趙鯤鵬，申趙勇，譚大文，侯春堯

(1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 武漢 430000；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；4.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；5.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心，湖北 宜昌 443100；6.三峽金沙江川云水電開(kāi)發(fā)有限公司永善溪洛渡電廠，云南 永善 657300)

0 引 言

近年來(lái)，隨著溪洛渡、烏東德等高拱壩的投產(chǎn)運(yùn)行，壩后水墊塘運(yùn)行與檢修方式也逐漸得到重視。水墊塘檢修完成后，為避免泄洪干砸底板，汛前一般采用抽水設(shè)備從下游河道抽水完成水墊塘反充水。如西南某電站壩后水墊塘總?cè)萘考s190萬(wàn)m3，運(yùn)行10年來(lái)水墊塘多次抽干檢修，常規(guī)抽水方式的滿充歷時(shí)達(dá)35～40 d，嚴(yán)重制約了檢修工期及水庫(kù)調(diào)度等。如果利用壩身深孔小開(kāi)度開(kāi)啟下泄，則可明顯提高充水效率，但由于深孔至消力池底板落差達(dá)150 m，存在水舌落差大、摻氣劇烈等問(wèn)題。

截至目前，國(guó)內(nèi)高拱壩水墊塘設(shè)計(jì)一般以大流量、深水墊為研究對(duì)象，偏重研究泄洪工況安全，對(duì)于小流量、薄水舌、淺水墊或無(wú)水墊情況的研究較少，應(yīng)用也較少，一般認(rèn)為薄水舌的沿程散裂和摻氣更為強(qiáng)烈，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較輕微，但缺少定量計(jì)算與分析。傳統(tǒng)水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式未考慮空氣阻力、摻氣作用，偏保守；因此有必要通過(guò)水氣兩相流數(shù)值模擬，開(kāi)展薄水舌、高落差泄流的結(jié)構(gòu)影響分析。

本文以西南某水電站為例，研究深孔小開(kāi)度開(kāi)啟時(shí)，在空氣阻力、水舌撕裂等作用下，薄水舌水力特性及對(duì)水墊塘底板的結(jié)構(gòu)影響。

1 工程概況

某水電站由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成，拱壩壩身布置多個(gè)表孔和深孔，岸邊布置泄洪洞，設(shè)壩后水墊塘和二道壩。樞紐總體布置見(jiàn)圖1。

2 研究條件

根據(jù)調(diào)度規(guī)程要求，水庫(kù)汛期應(yīng)按防洪限制水位控制運(yùn)行，壩后水墊塘內(nèi)應(yīng)充滿水。電站投產(chǎn)以來(lái)，水墊塘已在5個(gè)枯水期排干檢查，抽水強(qiáng)度約550～830 m3/h，排空或反充水需歷時(shí)35～40 d。

根據(jù)調(diào)度規(guī)程要求及水庫(kù)歷年運(yùn)行、檢修情況，本文以防洪限制水作為本項(xiàng)研究的庫(kù)水位條件，2018年～2021年入庫(kù)流量和庫(kù)水位過(guò)程線如圖2所示。

圖2 2018年～2021年入庫(kù)流量和庫(kù)水位過(guò)程線

參考水工模型試驗(yàn)成果，選擇靠近泄洪中心線的4、5號(hào)深孔作為充水孔，理由如下：①落點(diǎn)基本位于水墊塘底板，對(duì)岸坡影響較小，可充分利用淺水墊消能；②射程最遠(yuǎn)、縱向擴(kuò)散最大，水舌受空氣切割散裂和摻氣消能較充分。4號(hào)深孔流道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，汛限水位560 m時(shí)深孔水舌形態(tài)見(jiàn)圖4。

圖3 4號(hào)深孔流道結(jié)構(gòu)(高程：m)

圖4 汛限水位時(shí)深孔開(kāi)啟水舌形態(tài)

由于深孔水頭較高，為避免深孔局部開(kāi)啟產(chǎn)生弧門流激震動(dòng)，一般不允許深孔弧門長(zhǎng)時(shí)間局部開(kāi)啟。根據(jù)以往高水頭泄洪中孔/深孔弧形門流激振動(dòng)原型觀測(cè)結(jié)果，隨著作用水頭的減小，流激振動(dòng)的不利影響可顯著降低；部分弧門的相對(duì)開(kāi)度≤10%時(shí)，閘門振動(dòng)不利影響也可能顯著降低[1-2]。因此，本節(jié)暫以深孔開(kāi)度0.25 m(相對(duì)開(kāi)度3.7%)作為推薦開(kāi)度。

3 水力學(xué)公式分析結(jié)構(gòu)影響

3.1 沖擊動(dòng)水壓力計(jì)算公式

目前，國(guó)內(nèi)工程及學(xué)術(shù)界對(duì)底板沖擊動(dòng)水壓力計(jì)算方法有不同的認(rèn)識(shí)。NB/T 10870—2021《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E.4和《水力計(jì)算手冊(cè)》(第二版)給出了底板臨底流速和動(dòng)水壓力計(jì)算公式；劉沛清等人通過(guò)整理二灘、小灣、構(gòu)皮灘工程的模型試驗(yàn)成果，給出了沖擊動(dòng)水壓力經(jīng)驗(yàn)公式，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；許多鳴等通過(guò)對(duì)入水角40°～50°的淹沒(méi)沖擊射流展開(kāi)試驗(yàn)，崔廣濤等通過(guò)對(duì)入水角60°～65°的淹沒(méi)沖擊射流展開(kāi)試驗(yàn)，均得到相應(yīng)沖擊動(dòng)水壓力經(jīng)驗(yàn)公式[3]。

3.1.1 規(guī)范公式計(jì)算底板動(dòng)水壓力

根據(jù)艾克明[4]、崔廣濤[5]、安蕓周一[4]、石川忠晴[4]等國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果，落點(diǎn)處水墊深度td大于20倍水舌厚度h0時(shí)(即td≥20h0)，落點(diǎn)上、游水墊都起到實(shí)際消能作用，上下游無(wú)明顯水位差，水舌可按軸對(duì)稱的二元擴(kuò)散處理。

深孔開(kāi)度為0.25 m時(shí)，采用水力學(xué)公式計(jì)算臨底處水舌厚約0.05 m，按照td≥20h0原則，即下游水深>1 m左右時(shí)，落點(diǎn)上、下游水墊都起到實(shí)際消能作用。故按NB/T 10870—2021《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E.4[6]或《水力計(jì)算手冊(cè)》(第二版)[7]式4-3-20～21，計(jì)算底板沖擊流速v2及動(dòng)水壓力pd為

(1)

(2)

式中，td為塘內(nèi)水墊厚度，m；v1為入水前流速，m/s；h0為水舌落至水面時(shí)的厚度，m，根據(jù)單寬流量q、入水前流速v1計(jì)算；γw為水的容重，kN/m3；β為水舌入射角，(°)。

3.1.2 劉沛清經(jīng)驗(yàn)公式

劉沛清[3，8]等人通過(guò)整理二灘、小灣、構(gòu)皮灘工程的模型試驗(yàn)成果，提出沖擊動(dòng)水壓力經(jīng)驗(yàn)公式

(3)

3.2 深孔水舌水力要素及結(jié)構(gòu)影響分析

表1 深孔局部開(kāi)啟0.25 m時(shí)的水力要素計(jì)算成果

4 薄水舌、大落差數(shù)值模擬

4.1 高拱壩跌流中的細(xì)觀水氣作用

在高拱壩跌流中的細(xì)觀水氣作用如圖5所示。水流從孔口出射后與空氣摩擦，射流表面的湍流迅速發(fā)展，到一定程度后發(fā)生摻氣。氣體摻入后以氣泡的形式存在，并受湍流擴(kuò)散和浮力作用與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還會(huì)發(fā)生破碎、聚合以及變形。對(duì)摻氣水流進(jìn)行計(jì)算仿真，主要需要考慮水氣界面的追蹤、自由水面摻氣、兩相湍流的模擬、氣泡和水滴大小的估計(jì)、拖曳力的計(jì)算、湍流對(duì)氣泡的擴(kuò)散，此外表面張力、壁面潤(rùn)滑、虛擬質(zhì)量力、相間湍流傳遞、氣泡上浮力等作用也均對(duì)流動(dòng)有一定的影響[9]。

圖5 高拱壩跌流中的細(xì)觀水氣作用示意

高拱壩孔口局部開(kāi)啟射流及水墊塘內(nèi)水力特性非常復(fù)雜，且受沿程空氣影響顯著。規(guī)范公式未考慮空氣阻力、水舌摻氣與撕裂等作用，計(jì)算得到的水舌流速、底板沖擊壓力與實(shí)際有一定偏差[10-12]；而劉沛清基于大流量模型試驗(yàn)成果總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，在薄水舌、大落差情況下存在局限性。因此，有必要采用數(shù)值模擬方法對(duì)水力學(xué)計(jì)算成果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 數(shù)值模擬分析

4.2.1 模擬思路

高拱壩跌流是一種流速、雷諾數(shù)均較高的水氣兩相流，且伴有強(qiáng)烈的水舌散裂和摻氣[11]。由于相關(guān)的研究較少，當(dāng)前幾種流行的水氣兩相流模擬框架對(duì)其的適用性尚難判斷[13]。本研究作為高拱壩跌流數(shù)值模擬的探索，須考慮如下因素合理確定模擬方法：

(1)本研究中大壩及水墊塘在x、y、z等3個(gè)方向的空間跨度均在300 m左右，而閘門開(kāi)度僅為0.25 m，兩者尺度跨越較大。綜合計(jì)算準(zhǔn)確度要求和計(jì)算速度，網(wǎng)格尺寸選在0.5～1.5 m左右較為合適。

(2)如使用全三維的模型來(lái)對(duì)此流動(dòng)進(jìn)行模擬，總網(wǎng)格數(shù)將達(dá)2 700萬(wàn)，計(jì)算量極其巨大。鑒于深孔水流在左右岸方向上每個(gè)縱剖面上的流動(dòng)基本一致，故簡(jiǎn)化為縱剖面上的二維問(wèn)題進(jìn)行模擬，總網(wǎng)格數(shù)在9萬(wàn)左右。

(3)由于高拱壩跌流中兩相湍流、水/氣拖曳、氣泡和液滴動(dòng)力學(xué)等模型非常復(fù)雜[14]且準(zhǔn)確度尚無(wú)可靠的研究可借鑒，同時(shí)考慮這些模型會(huì)大大降低計(jì)算速度，故在本研究中暫不考慮這些因素。

本項(xiàng)研究?jī)H考慮空氣阻力，并通過(guò)允許一定的數(shù)值擴(kuò)散來(lái)反映水舌撕裂的影響，共使用以下兩種方法比分析水舌在不同空氣阻力特征時(shí)的水力特性：①采用FLOW-3D單相流模型計(jì)算水舌在真空中自由下落的水力特性，水舌沿程不發(fā)生摻氣和撕裂[15]；②采用Ansys Fluent耗散界面VOF模型模擬水舌表面發(fā)生一定的摻氣和撕裂時(shí)的水力特性。

4.2.2 計(jì)算工況及模型構(gòu)建

以庫(kù)水位560 m、4號(hào)中孔弧門局部開(kāi)啟0.25 m、水墊塘無(wú)水作為計(jì)算工況，模型參數(shù)如表2所示。湍流模型采用RNGk-ε模型。

表2 模型參數(shù)

FLOW-3D模型網(wǎng)格尺度為0.25 m，孔口處局部加密為0.1 m，如圖6所示。計(jì)算時(shí)，動(dòng)量預(yù)估采用一階精度方法求解，壓力方程采用GMRES方法求解，粘性力、自由面壓強(qiáng)和對(duì)流項(xiàng)均采用顯式求解。

圖6 FLOW-3D網(wǎng)格

Ansys Fluent數(shù)值模擬中，水墊塘內(nèi)網(wǎng)格尺度約0.5 m，孔口處局部加密，如圖7所示。速度-壓力耦合求解方式為PISO，梯度項(xiàng)采用Green-Gauss Node Based離散，壓力項(xiàng)采用PRESTO離散，動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式，湍流方程則采用一階迎風(fēng)格式離散，采用QUICK格式求解。

圖7 Ansys Fluent網(wǎng)格

4.3 成果分析

4.3.1 水舌流態(tài)與摻氣狀態(tài)

不考慮空氣阻力、不允許水舌摻氣擴(kuò)散VOF模型和考慮空氣阻力、允許水舌摻氣擴(kuò)散VOF模型水舌流態(tài)分布見(jiàn)圖8。從圖8可以看出：

圖8 水舌流態(tài)分布

(1)FLOW-3D中的VOF模型由于不考慮空氣阻力，出射水流的射距較擴(kuò)散VOF模型明顯偏大，落點(diǎn)穩(wěn)定，由于算法人為抑制了水舌擴(kuò)散，水舌逐步破碎為顆粒狀；整體來(lái)看，水舌的空間軌跡較為穩(wěn)定。

(2)Ansys Fluent中的擴(kuò)散VOF模型中水舌厚度明顯變大，水舌沿程摻氣達(dá)90%以上，水舌撕裂非常嚴(yán)重，呈水霧與空氣融為一體，在460 m高程以下呈不穩(wěn)定飄散。

4.3.2 臨底流速和壓強(qiáng)

水舌流速分布和消力池底板沖擊壓強(qiáng)分布數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖9、10。從圖9、10可以看出：

圖9 水舌流速分布

圖10 消力池底板沖擊壓強(qiáng)分布

(1)不考慮空氣阻力、水舌擴(kuò)散撕裂VOF模型的臨底流速約60m/s；由于水舌脫落為顆粒狀與大氣接觸，因此其臨底處壓強(qiáng)水頭約0～1 m，偶見(jiàn)部分水滴撞擊底板處的時(shí)均壓強(qiáng)值超過(guò)15 m。

(2)考慮空氣阻力、水舌擴(kuò)散撕裂VOF模型的臨底流速約45～50 m/s。考慮到VOF模型摻氣強(qiáng)烈，水舌沿程阻力較大，因此現(xiàn)象是合理的；該模型摻氣水舌較連續(xù)，底板處沖擊壓強(qiáng)也相對(duì)穩(wěn)定，但臨底摻氣濃度達(dá)95%以上，水體容重顯著降低，因此底板沖擊區(qū)時(shí)均壓強(qiáng)值在3～4 m左右。

總體來(lái)看，水舌落地前在空中破碎或者劇烈摻氣，能量耗散較為充分，對(duì)底板沖擊時(shí)均壓強(qiáng)僅3～4 m左右，偶見(jiàn)超過(guò)15 m的壓強(qiáng)極值為點(diǎn)壓強(qiáng)，且為強(qiáng)行抑制水舌擴(kuò)散時(shí)形成的“非物理現(xiàn)象”，現(xiàn)實(shí)中是不存在的。因此認(rèn)為考慮空氣阻力后，水舌對(duì)底板安全不構(gòu)成影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以某電站水墊塘為例，對(duì)深孔小開(kāi)度泄流對(duì)水墊塘反充水過(guò)程中，薄水舌、大落差水力特性及結(jié)構(gòu)影進(jìn)行研究。先后采用水力學(xué)規(guī)范公式、劉培清公式，對(duì)薄水舌的水力特性及對(duì)水墊塘底板的結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行分析，論證了水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式在薄水舌、大落差時(shí)的局限性。采用數(shù)值模擬法對(duì)比分析空氣阻力和摻氣對(duì)薄水舌的水力特性影響，通過(guò)對(duì)比分析表明，考慮空氣作用后，水舌將劇烈摻氣，在水墊塘內(nèi)呈不穩(wěn)定飄散，水舌臨底流速、沖擊壓強(qiáng)受空氣阻力和摻氣影響也明顯降低。受水舌摻氣影響，水舌容重顯著降低，即使落點(diǎn)流速達(dá)45～50 m/s，底板沖擊區(qū)時(shí)均壓強(qiáng)較“不考慮空氣阻力、摻氣”時(shí)也明顯降低，滿足沖擊動(dòng)壓控制指標(biāo)。所得結(jié)論可為通過(guò)壩身孔口實(shí)現(xiàn)水墊塘反充水的思路提供理論支撐，為類似研究和工程應(yīng)用提供借鑒和參考。