水電工程3D水動(dòng)力計(jì)算模型

[巴西] D.D.巴普蒂斯塔德索薩 等

水電工程3D水動(dòng)力計(jì)算模型

[巴西] D.D.巴普蒂斯塔德索薩 等

運(yùn)用計(jì)算工具解決水利工程問(wèn)題變得越來(lái)越普遍。在現(xiàn)有的數(shù)字模型中， 3D建模需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力，并更加細(xì)心，它可以解決以前要靠物理模型來(lái)解決的復(fù)雜和非常規(guī)問(wèn)題。介紹了作者在使用Flow 3D軟件對(duì)水電站工程中水工建筑物進(jìn)行建模并模擬水流態(tài)方面的一些經(jīng)驗(yàn)。

水力發(fā)電工程；水動(dòng)力學(xué)；計(jì)算模型

Flow 3D是美國(guó)一家公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件，軟件計(jì)算結(jié)果與采用有限體積法的流體動(dòng)力微分方程(Navier-Stokes方程)數(shù)值解相近。計(jì)算方法是將研究的空間區(qū)域用固定網(wǎng)格劃分成離散體單元，每個(gè)離散體單元存儲(chǔ)一定范圍的平均值，如壓力、密度、流速和溫度等。

精確的自由水面模擬可以通過(guò)提高流體體積(VOF)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在Flow 3D軟件包中稱(chēng)為T(mén)ruVOF。定位自由水面并確定其特定條件，這一數(shù)值技術(shù)只能求解流體運(yùn)動(dòng)方程，很好地表征了流體的運(yùn)動(dòng)特性。另一個(gè)功能強(qiáng)大的相關(guān)技術(shù)為通度系數(shù)法(FAVORTM)，它提供了各種復(fù)雜的幾何體用來(lái)進(jìn)行數(shù)值分析，這些幾何體在水工建筑物結(jié)構(gòu)中很常見(jiàn)。

1 模型校驗(yàn)

計(jì)算機(jī)模擬流體的功能在迅速提升，計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力的革新以及通過(guò)對(duì)比數(shù)值分析方法和實(shí)驗(yàn)方法所得出的經(jīng)驗(yàn)使得數(shù)值模擬越來(lái)越可靠。但將液體基本理論和代表液體物理性質(zhì)的基本假定融會(huì)貫通，決定著數(shù)值模擬的可靠性，錯(cuò)誤地使用和錯(cuò)誤地理解數(shù)值模擬會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，使用像Flow 3D這樣的軟件建立數(shù)值模型，既需要安全性、可靠性，又需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。要獲得這樣的經(jīng)驗(yàn)，就要與現(xiàn)有的分析模型、物理模型、一維/二維模型結(jié)果進(jìn)行比較或者校驗(yàn)，也要研究已發(fā)表的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，確認(rèn)模擬的方法和結(jié)果。

2 Flow 3D與其他模型的使用條件

2.1 一維模型

一維模型是流體分析最快且最簡(jiǎn)單的工具，一些模型已被廣泛接受，如美國(guó)陸軍工程師團(tuán)編制的HEC-RAS模型，常用于長(zhǎng)河道水面和大模型的回水計(jì)算，因此要計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)步驟(水能或回水方程)。但這種方法只適用于限定水頭和流速的條件下，水頭和流速在垂直方向和水流方向上變化很小。另外，該模型僅可在流量逐漸變化的條件下使用。

2.2 二維與三維模型

受計(jì)算時(shí)間和數(shù)據(jù)處理功率的限制，二維與三維模型用于較小模型的計(jì)算分析，而建立模型需要更加細(xì)心，花費(fèi)的時(shí)間也較長(zhǎng)。

二維模型能很好地代表淺水條件下的流態(tài)，此類(lèi)模型使用平均深度特性，并假定垂直方向的流速為零、水力梯度是靜水條件下的梯度。

由于受計(jì)算時(shí)間和模擬復(fù)雜性的限制，三維模型通常用于局部和小范圍的水流流態(tài)。三維CFD模型可以消除一維和二維模型的很多限制，允許可壓縮流、多相流建模，并具有其他物理建模選項(xiàng)和熱力建模選項(xiàng)，在瞬變模擬方面也功能強(qiáng)大。

2.3 物理模型

物理模型發(fā)展水平高，已被許多實(shí)際工程所證實(shí)，是最可靠的方法。但其所需費(fèi)用高，尤其是針對(duì)小型項(xiàng)目。物理模型的設(shè)計(jì)和建立還需要大量的時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，因此難以研究不同的比較方案。數(shù)值模型是很好的補(bǔ)充選項(xiàng)，能輕而易舉地按時(shí)完成模擬，降低了進(jìn)行比較方案研究和模型優(yōu)化的成本。

3 案例研究

下面對(duì)巴西的兩個(gè)水電站項(xiàng)目和非洲的一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了介紹。

3.1 圣羅克水電項(xiàng)目

圣羅克(Sao Roque)水電站位于巴西圣卡塔琳娜州卡諾阿斯(Canoas)河上，大壩為RCC壩，電站裝機(jī)141.9 MW。該項(xiàng)目建立了3個(gè)數(shù)值模型。

3.1.1 溢洪道第一臺(tái)階的折流

在小流量條件下，溢洪道第一臺(tái)階出現(xiàn)折流,導(dǎo)致非穩(wěn)定流和振動(dòng)流的發(fā)生。數(shù)值模擬可以用來(lái)確定第一臺(tái)階的幾何形狀，限制折流。為了發(fā)現(xiàn)泄水量盡可能小時(shí)所代表的折流的幾何形狀，邊界條件設(shè)定為瞬變。庫(kù)水位逐漸降低，直到流態(tài)開(kāi)始出現(xiàn)非穩(wěn)定流，最終出現(xiàn)一定流速的射流。最初，沿臺(tái)階式溢洪道的水流態(tài)是臺(tái)階面式水流，意味著水面平行于溢洪道斜坡(見(jiàn)圖1與圖2)。模擬的兩種幾何形狀如圖1與圖2所示。考慮到施工和穩(wěn)定性，臺(tái)階高度為1.2 m，斜坡坡度53°。

第一臺(tái)階高度分別為0.3，0.6 m和0.9 m，最終達(dá)到常規(guī)臺(tái)階高度1.2 m。

圖1(a)，仍為臺(tái)階面水流，流量0.28 m3/s；圖1(b)，水流開(kāi)始出現(xiàn)擾流，流量0.27 m3/s；圖1(c)，出現(xiàn)射流，穩(wěn)定流量0.26 m3/s。在最終的設(shè)計(jì)方案中采取這種幾何形狀，因?yàn)樗碚哿鞒霈F(xiàn)之前的最低泄洪量。

圖2(a)，仍為臺(tái)階面水流，流量0.44 m3/s；圖2(b)，水流開(kāi)始出現(xiàn)擾流，流量0.43 m3/s；圖2(c)，出現(xiàn)射流，穩(wěn)定流量0.38 m3/s。

當(dāng)單位泄水量較低時(shí)，空氣進(jìn)入水流起著重要作用。數(shù)值模型包括了夾雜空氣的水流，這考慮了使用TruVOF技術(shù)的自由表面追蹤。

與射流出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的流速可用來(lái)比較臺(tái)階的幾何形狀，并確定哪種是最有效的。與折流出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際水流速度取決于庫(kù)水位下降的速度和用于仿真的網(wǎng)格大小。

圖2所示的幾何形狀第一級(jí)臺(tái)階設(shè)置在切點(diǎn)之前，這意味著第一臺(tái)階位于克里杰剖面上，目的是減小當(dāng)?shù)氐母诘聰?shù)并避免射流出現(xiàn)。在圣羅克項(xiàng)目中，這是沒(méi)有效果的，由于溢洪道傾斜，弗勞德數(shù)的影響不會(huì)持續(xù)增加，但有趣的是,所有用類(lèi)似幾何形狀所作的模擬表明,在泄水流量較大的情況下會(huì)出現(xiàn)射流。尚松分析模型中也出現(xiàn)了這一現(xiàn)象。

3.1.2 水輪機(jī)入口的流態(tài)

進(jìn)水管為3條壓力鋼管，水頭53 m，總流量333 m3/s，水輪機(jī)為立軸混流式水輪機(jī)。在壓力鋼管下部，水流進(jìn)入水輪機(jī)前的最后弧線段后有一段水平管，起穩(wěn)定水流的作用。數(shù)值模擬可用來(lái)確定水平壓力管段的長(zhǎng)度、流速和壓力的分布。

上游邊界為水流源，位于進(jìn)水口末端。下游邊界，水輪機(jī)入口處，設(shè)定水壓使得伯努里方程成立，在等式中減去理論計(jì)算的水頭損失。最后，調(diào)整糙率使得數(shù)值模型中的水頭損失與理論計(jì)算的相等，最后確定的糙率為2 mm，與壓力鋼管的糙率相匹配，網(wǎng)格尺寸為0.5 m。

3個(gè)模型結(jié)果均表明，位于水輪機(jī)進(jìn)口處的剖面下半部分區(qū)域水流速度都較高，剖面2的水流流態(tài)較剖面1沒(méi)有多大改進(jìn)。從深度平均流速和壓力分布來(lái)看，水流過(guò)變徑段后就已經(jīng)變?yōu)榉€(wěn)定流，有趣的是在水平段流速仍在變化，因此沒(méi)有必要增加水平管段的長(zhǎng)度，而這只會(huì)增加費(fèi)用和沿管的水頭損失。因此，最終的設(shè)計(jì)方案并沒(méi)有改變最初的設(shè)計(jì)。這表明數(shù)值模擬是一種有效的和快速的決策支持工具。

3.1.3 尾水管出口

尾水管出口將水流排進(jìn)尾水渠。然而，由于橫截面的突然擴(kuò)大，流態(tài)隨顯著的渦流消散和水頭損失而變化。數(shù)值模擬可以用來(lái)確定水頭損失。

上游邊界為水流源，位于尾水管閘門(mén)處。下游水壓為正常運(yùn)行水位下的水壓。網(wǎng)格尺寸0.5 m。

為了與計(jì)算模型比較，水頭損失可用下式計(jì)算:

(1)

數(shù)值模型模擬的水頭損失為14 cm，而理論計(jì)算值較保守，為16.7 cm。三維數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)在于可以?xún)?yōu)化幾何形狀，從而使得水頭損失最小。

3.2 米林瓜瓦大壩工程

米林瓜瓦(Miringuava)壩是一座蓄水供水壩，電站發(fā)電量很少。溢洪道呈牽?；ㄐ?見(jiàn)圖3)，可以下泄可能最大洪水。

理論泄洪量根據(jù)美國(guó)陸軍工程師團(tuán)水力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(HDC)計(jì)算。數(shù)值模擬可用來(lái)確定泄洪量，上游邊界水壓按對(duì)應(yīng)于洪水位的指定壓力設(shè)定。模型包括水庫(kù)區(qū)可能受影響區(qū)域。

除了低泄洪量條件外，HDC比數(shù)值模型結(jié)果更保守，這一差別主要是由于支承建筑物和通向壩頂?shù)膬蓚?cè)墻的存在影響了泄洪量而造成的。數(shù)值模擬可以模擬各種幾何形狀，是一個(gè)強(qiáng)大的工具。需要注意的是，對(duì)于上游高水位，由于水頭與堰弧半徑的比值小于0.45，淹沒(méi)溢洪道影響到了泄洪量，雖然按照HDC這種情況并不存在。與HDC預(yù)測(cè)結(jié)果相比，因?yàn)榇嬖趬w，即使洪水位較低,溢洪道也會(huì)被淹沒(méi)。

3.3 坎班貝水電項(xiàng)目

坎班貝(Cambambe)水電項(xiàng)目位于安哥拉寬扎(Kwanza)河上，包括一座混凝土拱壩，壩頂高程132 m，壩體設(shè)有5孔溢洪道，左岸地面溢洪道呈克里杰剖面，由兩個(gè)弧形閘門(mén)(15 m×19.5 m)控制。此外，還有重力式進(jìn)水口，并在現(xiàn)有地下廠房旁又新建了地下廠房，總裝機(jī)960 MW。

3.3.1 物理與計(jì)算模型

為了評(píng)估和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，按照弗勞德相似標(biāo)準(zhǔn)建立了大壩和溢洪道結(jié)構(gòu)1/75的物理模型。

使用計(jì)算模型可以對(duì)物理模型進(jìn)行優(yōu)化，使模型可直接用于實(shí)際項(xiàng)目。在這種特定情況下，計(jì)算模型用來(lái)分析地面溢洪道進(jìn)水渠的水位和流速，以及沿溢洪道結(jié)構(gòu)的壓力。與物理模型進(jìn)行比較，其結(jié)果顯示出很好的相似性。模型中上游邊界條件對(duì)應(yīng)于庫(kù)水位(130 m)，泄洪量4 500 m3/s對(duì)應(yīng)于理論泄洪量。下游條件設(shè)定為流出狀態(tài)。

3.3.2 進(jìn)水渠條件

地面溢洪道模型封閉運(yùn)行試驗(yàn)后，將溢洪道相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)中心線旋轉(zhuǎn)7.5°，如在項(xiàng)目中實(shí)際實(shí)施的一樣，使得泄水直接排向河道中心，避免對(duì)右岸的顯著沖刷。計(jì)算模型驗(yàn)證了對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改可以做到快速、簡(jiǎn)便，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)上游部分的流態(tài)。

進(jìn)水渠的新布置方案利于將流態(tài)調(diào)配到最佳，減少了表面擾流和渦流的產(chǎn)生，而且沒(méi)有影響溢洪道的泄洪能力。

3.3.3 沿地面溢洪道的壓力

在物理模型中，沿地面溢洪道左槽和右槽中心對(duì)平均壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與Flow 3D計(jì)算的溢洪道底板壓力進(jìn)行了比較，圖4和圖5分別示出了右槽和左槽壓力分布，橫坐標(biāo)原點(diǎn)(X= 0 m)為壩頂位置。沿泄槽的溢洪道表面用FAVOR技術(shù)

粗略進(jìn)行處理，局部做成不規(guī)則形狀。經(jīng)處理，壓力峰值產(chǎn)生后，緊接著便出現(xiàn)壓力下降的重要變化。然而正如圖4和5所示，沿泄槽壓力分布總的趨勢(shì)與物理模型結(jié)果一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算模型是水利工程師非常有用的工具。3D模型越來(lái)越可靠。通過(guò)提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行能力可獲得更為精確的結(jié)果。Flow 3D這樣的軟件包是非常有用的工具，它們更容易達(dá)到預(yù)期目的，通過(guò)方案比較和優(yōu)化可降低成本。3D模型是解決許多問(wèn)題的理想選擇，并可作為物理建模的輔助工具，有時(shí)還可以取代物理模型，如圣羅克案例。此外，它還可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)物理模型進(jìn)行初步的三維數(shù)值優(yōu)化。

(劉 宇 馬貴生 編譯)

2015-01-07

1006-0081(2015)03-0030-03

TV131.2

A