挑流消能二相流數(shù)值模擬在老壩治理中的應(yīng)用

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(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng)，550081；2.南京水利科學(xué)研究院水工所，南京，210029)

挑流消能二相流數(shù)值模擬在老壩治理中的應(yīng)用

袁強(qiáng)1，王新2，駱少澤2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng)，550081；2.南京水利科學(xué)研究院水工所，南京，210029)

某水電站大壩全面治理工程要在原大壩下游120m處新建一座大壩。本文引入VOF模型，運(yùn)用PISO算法，對(duì)老壩的挑流消能從上游庫(kù)區(qū)到下游水墊塘進(jìn)行了水氣二相流二維非恒定數(shù)值模擬，獲得了老壩下泄水流對(duì)新壩的沖擊情況，對(duì)新壩的施工期度汛有較好的指導(dǎo)意義，也對(duì)更多的老壩改造工程有著重要的參考價(jià)值。

挑流 二相流 VOF模型 數(shù)值模擬 老壩治理

1 前言

某水電站大壩全面治理工程是按恢復(fù)電站原任務(wù)和功能的要求，在原大壩(以下皆稱老壩)下游120m處新建一座大壩(以下皆稱新壩)。新建壩體施工期會(huì)受到老壩度汛下泄的高速水流的沖擊作用。為了研究老壩泄洪對(duì)施工期新壩不同的澆筑壩段和高程的影響，了解老壩下泄水流對(duì)新壩的沖擊形式，如沖擊速度、角度、位置，對(duì)老壩進(jìn)行了挑流消能的數(shù)值模擬研究。

對(duì)挑流消能的研究，已經(jīng)有不少研究成果[1]～[2]。挑流的數(shù)值模擬涉及到水氣二相流問(wèn)題，由于水氣二相流問(wèn)題本身就很復(fù)雜，同時(shí)挑流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(jì)算流體力學(xué)的難點(diǎn)[3]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用雙方程紊流模型，引入多相流的VOF模型，運(yùn)用PISO[4]算法，從上游庫(kù)區(qū)到下游河道進(jìn)行了二維非恒定挑流數(shù)值模擬。

2 二維數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用老壩實(shí)際尺寸，建立挑坎的二維模型?？v坐標(biāo)方向?yàn)殂U直方向，縱坐標(biāo)值即為高程值，新壩建基面高程為182.96m。橫坐標(biāo)方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?，老壩溢流堰的最高點(diǎn)橫坐標(biāo)為0，新壩上游面位置橫坐標(biāo)為134.5。模擬范圍從上游水庫(kù)至下游河道，包括中間整個(gè)溢流段，模型向上游取庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度約20m。采用四邊形單元對(duì)整個(gè)計(jì)算模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格扭曲率(skewness)控制在0.45以內(nèi)。計(jì)算網(wǎng)格的劃分如圖1所示。

圖1 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)劃分

研究老壩泄洪挑流對(duì)新壩的沖擊情況，應(yīng)該知道新壩與老壩的相對(duì)位置及新壩的施工過(guò)程。新壩在汛前汛后的施工高程見(jiàn)表1。

表1 溢流壩段汛前汛后施工高程

2.2 計(jì)算工況和邊界條件

(1)計(jì)算工況

選擇校核洪水位267.70m作為計(jì)算工況。

(2)邊界條件

上游采用水位壓力條件，用C語(yǔ)言編寫(xiě)UDF定義進(jìn)口條件，水位之上采用壓力進(jìn)口邊界條件，模型上部亦采用壓力進(jìn)口邊界條件，下游采用壓力出口邊界條件，其他均為固壁邊界條件，下游水位未考慮。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖2為從泄流開(kāi)始(t=0s)至挑流穩(wěn)定不同時(shí)刻泄流的體積分?jǐn)?shù)圖，從中可以很清楚地看出挑坎的挑流過(guò)程和挑流流態(tài)。圖3為水和空氣混合相流速矢量圖，圖4和圖5分別為流線圖和壓力等值線圖。

(a)t=0s

(b)t=5s

(c)t=7s

(d)穩(wěn)定后

圖3 混合相速度矢量圖

圖4 流線圖

圖5 壓力等值線圖

圖6為挑流的體積分?jǐn)?shù)在新壩上游面位置沿縱坐標(biāo)的分布圖。由圖可知，挑流水舌對(duì)新壩沖擊位置在204.5m至212.5m高程處。圖7為挑流在新壩上游面位置挑流混合相速度矢量圖，圖8為混合相速度大小在新壩上游面位置沿縱坐標(biāo)的分布圖。由圖可以看出，在高程209.3m處速度最大，約為33.7m/s。圖9為混合相速度角度在新壩上游面位置沿縱坐標(biāo)的分布，可以看出挑流水舌與水平向夾角約為19°。

圖6 挑流的體積分?jǐn)?shù)在新壩上游面

圖7 新壩上游面位置挑流混合相速度矢量圖

圖8 混合相流速在新壩上游面位置沿縱坐標(biāo)的分布

圖9 混合相速度角度在新壩上游面位置

挑流水舌經(jīng)過(guò)新壩上游面204.5m～212.5m高程范圍，若新壩填筑高程低于204.5m時(shí)，挑流水舌將躍過(guò)新壩，若新壩高程在204.5m～212.5m之間，挑流水柱將有部分水舌躍過(guò)新壩。挑流水舌躍過(guò)新壩后在186m高程分布在橫坐標(biāo)約234m～241m處，即距新壩上游面約99.5m～106.5m；挑流水舌躍過(guò)新壩后在191m高程分布在橫坐標(biāo)約230m～236m處，即距新壩上游面約95.5m～101.5m；挑流水舌躍過(guò)新壩后在193m高程分布在橫坐標(biāo)約200m～205m處，即距新壩上游面約65.5m～70.5m。詳見(jiàn)圖10。

(a)186m高程

(b)191m高程

(c)193m高程

3 結(jié)語(yǔ)

施工期新壩壩體的防沖問(wèn)題，是影響工程順利施工的關(guān)鍵因素之一，需要開(kāi)展系統(tǒng)的研究。通過(guò)二相流挑流數(shù)值模擬，得到了水舌可能對(duì)施工中的新壩壩體內(nèi)部的沖擊情況，有助于合理安排新壩的施工以保證新壩施工期的安全度汛，也對(duì)今后更多的老壩改造工程有著重要的參考價(jià)值。

〔1〕許唯臨，廖華勝，楊永全，等.水墊塘三元流態(tài)及消能特征的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，1998，30(1)：35-42.

〔2〕陳永燦，許協(xié)慶.挑流沖坑內(nèi)水流特性的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，1993(4)：48-54.

〔3〕刁明軍，楊永全，王玉蓉，等.挑流消能水氣二相流數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2003(09)：77～82.

〔4〕齊元田.高拱壩的泄洪消能問(wèn)題研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

TV653∶TV322

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2095-1809(2017)05-0106-03

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