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燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究

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燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究

241

()文章編號(hào):22010507842015062410---

中國農(nóng)村水利水電·215年第6期0

燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究

夏鵬飛

)(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610065

采用標(biāo)準(zhǔn)的k~結(jié)合某水利工程實(shí)例,對其溢洪道整體水力特性進(jìn)行了水氣二相F方法,  摘 要:ε紊流模型與VO流三維模擬研究。計(jì)算得到水深、流速、壓強(qiáng)沿程分布、空腔形態(tài)、空中水舌形態(tài)及水舌挑距等一系列水力要素計(jì)算值,模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,分析了燕尾型挑坎的空中水舌形態(tài),形成過程。研究結(jié)果表明采用三維數(shù)值模擬的方法研究接燕尾型挑坎的溢洪道水流是可行的,其結(jié)果能為類似工程起到一定的指導(dǎo)作用。溢洪道;挑坎;數(shù)值模擬  關(guān)鍵詞:

TV651.1   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A  中圖分類號(hào):

mericalSimulationontheSillwaTunnelwithDovetailshaedFliBucket3DNu      ? ? pypp  

XIfeAPeni-。

,),(Chendu610065,ChinaofHdraulicsandMountainRiverEnineerinSichuanUniversitLaboratorateKeSt       。纾纾纾 

:,withdovetailAbstractInordertostudthehdrauliccharacteristicsofthesillwa        。螅瑁幔澹洹。妫欤椋猓酰悖耄澹簦簦瑁濉。螅簦幔睿洌幔颍洹。簦酰颍猓酰欤澹睿悖澹穑 。穑稹,r。簦鳎铩。瑁幔螅澹蟆。恚铮洌澹臁。幔颍濉。酰螅澹洹。簦铩。洌澹螅悖颍椋猓濉。鳎幔簦澹颉。妫欤铮鳌。幔睿洹。簦颍幔悖搿。妫颍澹濉。螅酰颍妫幔悖濉。妫欤铮鳌。椋睢。睿酰恚澹颍椋悖幔臁。螅椋恚酰欤幔簦椋铮睿簦瑁酰螅恚铮洌澹臁。幔睿洹。郑希啤。鳎幔簦澹颍幔椋,,,the water。洌澹簦,velocithdraulic。颍澹螅螅酰颍澹妫颍澹濉。鳎幔簦澹颉。螅酰颍妫幔悖濉。铮妗。簦瑁濉。幔澹颍幔簦椋睿悖幔觯椋簦螅瑁幔濉。铮妗。鳎幔簦澹颉。簦铮睿酰濉。幔睿洹。瑁铮颍椋铮睿簦幔臁。欤澹睿簦瑁穑穑纭。穑纾,,are。铮猓簦幔椋睿澹洌簦瑁濉。颍澹螅酰欤簦蟆。幔颍濉。椋睢。铮铮洹。幔颍澹澹恚澹睿簟。鳎椋簦琛。簦瑁濉。洌幔簦帷。铮猓簦幔椋睿澹洹。椋睢。澹澹颍椋恚澹睿簦螅祝瑁幔簦В蟆。恚铮颍澹簦瑁濉。颍铮洌酰悖椋睿幔睿洹。簦瑁濉。螅瑁幔濉。铮妫纾纾穑穑纭。穑鳎幔簦澹颉。簦铮睿酰濉。幔颍濉。幔睿幔欤澹洌裕瑁濉。螅酰悖悖澹螅螅妫酰臁。螅椋恚酰欤幔簦椋铮睢。螅瑁铮鳎蟆。簦瑁幔簟。簦瑁椋蟆。恚澹簦瑁铮洹。悖幔睢。猓濉。幔欤椋澹洹。簦铩。悖幔欤悖酰欤幔簦椋铮睢。铮妗。簦瑁濉。妫欤铮鳌。椋睢。悖铮恚欤椋悖幔簦澹洌纾穑穑穑螅椋欤欤鳎幔簦酰睿睿澹臁。鳎椋簦琛。洌铮觯澹簦幔椋欤螅瑁幔澹洹。妫欤椋猓酰悖耄澹簦粒睿洹。簦瑁椋蟆。颍澹螅澹幔颍悖琛。螅澹颍觯澹蟆。幔蟆。帷。酰椋洌濉。簦铩。螅椋恚椋欤幔颉。颍铮澹悖簦螅穑。穑稹。纾穑

;;:Kewordslwatunnelflibucketmerical。螅椋恚酰欤幔簦椋铮睿螅椋欤睿酰。稹。稹∨c其聯(lián)合  溢洪道是水利水電工程主要的泄水建筑物之一,應(yīng)用的挑流消能工程也多種多樣,如連續(xù)挑坎、斜切挑坎、窄縫挑坎等。窄縫挑坎多用于峽谷高壩泄洪建筑物的末端,由于兩側(cè)邊墻沿程縮窄,促使進(jìn)入窄縫挑坎的水體發(fā)生橫向收縮,水深沿程升高,最終挑出的水流呈窄而高的矩形,從而使得水流進(jìn)入下游河道的單寬流量變小,有效地減弱了水流對下游河道的沖刷。但是,窄縫挑坎的側(cè)墻受到水流的沖擊,當(dāng)水流速度過高時(shí),側(cè)墻受力較大,對結(jié)構(gòu)安全不利,燕尾型挑坎是一種結(jié)構(gòu)上異于窄縫挑坎的新型挑坎,它能夠形成類似的窄縫水舌,同時(shí)挑坎側(cè)墻所承受的壓力也大大降低,以錦屏一級(jí)水電站泄洪洞出口為例,采用窄縫挑坎時(shí),模型試驗(yàn)表明側(cè)墻上的最大,時(shí)均壓力高達(dá)3這給側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了很大難度,43.3kPa/采用燕尾挑坎時(shí)側(cè)墻壓力僅為其14。錢小燕等對燕尾型挑坎

1],的水舌特性進(jìn)行了研究[但有關(guān)溢洪道接燕尾型挑坎的整體

水力特性還需進(jìn)一步探究。

本文采用數(shù)值模擬的方法來探索研究燕尾型挑坎的水力特性的可行性,對某水電工程溢洪道挑流消能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。該溢洪道下游河道段地勢狹窄,為了避免溢洪道水舌沖刷下游河道右岸,在模型優(yōu)化階段分別采用了斜切挑坎與燕尾型挑坎,由于燕尾型挑坎對出射水流的拉伸效果較好,最終得以采用。為了進(jìn)一步了解這一新型挑坎的水力學(xué)特性,為具體工程提供有價(jià)值的參考并探索采用數(shù)值模擬方法來研究該體型的可行性,本文以優(yōu)化后的挑坎體型為基礎(chǔ)建立三維模型,選用了標(biāo)準(zhǔn)的k~以流體體積方法(Volumeε雙方程紊流模型,,跟蹤自由水面,對該溢洪道泄槽段、摻氣槽及燕of。疲欤酰椋洌郑希疲┪残吞艨驳乃W(xué)特性進(jìn)行三維數(shù)值模擬。經(jīng)過實(shí)測值和計(jì)算值的比較得知,數(shù)值模擬方法是可行的,結(jié)果是可靠的。

1 物理模型

原型為Ⅲ等、中型水利工程,最大壩高7總庫容7.70m,

溢洪道、放空導(dǎo)流2。保保度fm。樞紐建筑物主要由攔河大壩、

收稿日期:10201420--

,作者簡介:男,碩士研究生,夏鵬飛(研究方向?yàn)樗にΓ福罚保?/p>

:學(xué)。E-milxxia123@163.com。ap

隧洞,取水塔,電站壓力引水隧洞及壩后電站等主要建筑物組


燕尾挑坎溢洪道三維數(shù)值模擬研究  夏鵬飛

模型比尺采用1∶5成。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),0。模型與原型之間各物理量遵循重力相似準(zhǔn)則如下:時(shí)間比尺λT=

/0.516

,糙率比尺λ長度比尺λ=5流速比7.01.97;2;0;λλL=H=L=0.52.5

流量比尺λ尺λ7;7677.67。模型采用7.0 λλV=L=Q=L=1

251

格劃分,壩頂和燕尾挑坎處使用四面體網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合。在本文空間網(wǎng)格剖分過程中配合使用了非均勻網(wǎng)格,其中摻氣槽計(jì)算區(qū)域和水舌捕捉箱橫縱中部采用較密的網(wǎng)格劃分,使得網(wǎng)格整體疏密有致即突出關(guān)注區(qū)水流特性還節(jié)省了計(jì)算機(jī)時(shí)。網(wǎng)格單元數(shù)約為43.3萬。進(jìn)口處給定水深和流速,設(shè)置為流速進(jìn)口和壓力進(jìn)口,出口邊界條件采用壓強(qiáng)出口邊界,計(jì)算域中與空氣接觸面指定壓力進(jìn)口邊界,壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

有機(jī)玻璃制作,以便觀察水流流態(tài)。

2 數(shù)學(xué)模型

選用k~其連續(xù)ε雙方程紊流模型對挑射水流進(jìn)行模擬,方程、動(dòng)量方程和k、ε方程可分別表示為:

連續(xù)方程:

i+=0txi

  動(dòng)量方程:

()1

(ii)+=txj

+xxij

i(+t)μ+μxxij

)]

()2

k方程:  

))(i(+=

txxii  ε方程:

[(

t+G-ρεμ+σkxi

()3

)i()(+=

txi

xi

[(

tCCG++-12εεμσxρkkiε

()4

式中:t為時(shí)間;p為修正壓ρ和μ分別為密度和分子黏性系數(shù);力;它可由紊動(dòng)能k和紊動(dòng)耗散率ε求出。t為紊流黏性系數(shù),μ

C=μρμε

圖1 數(shù)學(xué)模型athematicalmodelFi.1M 。

()5

中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C5)9;.0  式(σk和σk=ε分別取值為σμ=01.0,1.3;CC1.5C1.95,2。Gσε方程常數(shù),1212ε=ε和Cε為ε=ε=為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),它可由下式定義:

3 結(jié)果與分析

3.1 水面線與壓強(qiáng)對比

圖2為水面線與壓強(qiáng)模型試驗(yàn)值和模擬計(jì)算值的對比

G=μt

uii+xxxjij

()6

它本身與單F方法,  對于水氣交界自由面的處理采用VO

相流的k~不同之處僅在于μ和ρ的具體表達(dá)ε模型形式相同,式,二者為容積分?jǐn)?shù)的函數(shù),可由下式表示:

1-awρw+(w)aρ=aρ

1-awμw+(2)aμ=aμ

()7()8

  方程中ρw和ρa分別為水和氣的密度;w和μa分別是水μ

(和氣的分子黏性系數(shù);為空氣的a1-aw為水的體積分?jǐn)?shù),w)體積分?jǐn)?shù),那么在某一計(jì)算單元中如果不存在水,則a如0,w=果充滿水,如果該單元體為水氣交界面,則a則0<a1,w=w<1。水的體積分?jǐn)?shù)aw的控制微分方程為:

ww

+u=0itxi

()9

來完成的。計(jì)算模9)  水氣交界面的跟蹤就是通過求解式(

型模擬計(jì)算范圍如圖1所示。本文所模擬的計(jì)算區(qū)域較大,在遵循水氣交界面和關(guān)鍵部位的網(wǎng)格密的原則下,為了更好地?cái)M合復(fù)雜邊界獲得精確數(shù)據(jù)來觀察流場特性,本文采用了非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格,引渠段、泄槽段和水舌捕捉箱采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)

圖2 水面線和壓強(qiáng)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比Fi.2Thecomutinandexerimentalresults   。纾穑纾稹

comarisononwaterlineandressure     pp


261

邊壁水面線在測壓孔相0個(gè),  模型試驗(yàn)中布置測壓孔共3

應(yīng)位置測得。溢洪道水面線和壓強(qiáng)計(jì)算值與實(shí)測值二者吻合良好,其中水面線最大相對誤差為2.壓強(qiáng)最大相對誤差為4%,水流經(jīng)摻氣坎挑起在回落泄槽后的近前段形成一定程2.6%。度的壅水隨后沿程順勢降低;燕尾挑坎出口段中間是鏤空的,于是傳統(tǒng)平板挑坎因受壁面曲率以及水流重力和離心力的作用而使底板產(chǎn)生較大壓強(qiáng)的不利情況在燕尾挑坎上得到了較好改良,這樣的設(shè)計(jì)使得水舌一部分從中部下泄,帶動(dòng)兩側(cè)部分水流向內(nèi)移動(dòng)從而使水流縱向拉開減輕了兩支燕尾板面上的壓力負(fù)擔(dān)。

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