洞塞間距對多級洞塞消能影響的數(shù)值模擬研究

，　，

(1. 北方民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，銀川　750021；2.長江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢　430010；3. 浙江海洋大學(xué) 港航學(xué)院，浙江 舟山　316022)

1　研究背景

孔板與洞塞具有相似的消能機(jī)理。很早以前孔板用于管道流量測量[1]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，孔板和洞塞被應(yīng)用到泄洪洞消能。隨著高壩建設(shè)的發(fā)展，“深峽谷、高水頭、大流量、多泥沙”的特點(diǎn)更為突出。以溪洛渡水電站為代表的泄洪能量達(dá)到世界之最，泄洪消能成為高壩建設(shè)最關(guān)鍵技術(shù)問題之一。因地制宜將導(dǎo)流洞改建成永久泄洪洞，在泄洪洞內(nèi)安裝多級洞塞或孔板進(jìn)行合理消能，具有經(jīng)濟(jì)、布置簡單和消能效率高的特點(diǎn)[2]。洞塞體型多種多樣，具體的洞塞體型見圖1,其中D為泄洪洞直徑，d為洞塞直徑，T為洞塞厚度。順直洞塞是最基本的體型，其他體型的洞塞都是在順直洞塞的基礎(chǔ)上演變而來。

圖1　洞塞體型Fig.1　 Patterns of plug

從圖1(a)可以看出，在洞塞泄洪洞內(nèi)，水流通過突縮突擴(kuò)來消散能量，水流在洞塞后部必須經(jīng)過一段距離才能恢復(fù)正常。已有的研究文獻(xiàn)[3-7]表明，洞塞后部的水流大約經(jīng)歷3D的距離，水流流態(tài)基本恢復(fù)正常。單級洞塞的水流恢復(fù)長度，完全可以作為多級洞塞間距設(shè)計(jì)的依據(jù)。但事實(shí)上，對于有些消能要求較高的水電工程，單級洞塞不一定能滿足工程標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)就可考慮采用多級洞塞去消能。但是，這里也存在一個(gè)問題，那就是多級洞塞泄洪洞中，上下級洞塞之間會產(chǎn)生相互影響，洞塞間距取3D是否合理，這一問題還值得深入探討?？v觀國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對這一問題研究很少，這不利于多級洞塞泄洪洞的設(shè)計(jì)。本文旨在針對最基本的順直洞塞，研究多級洞塞中洞塞與洞塞之間的合理間距問題。

2　研究思路

為了確定合理的多級洞塞間距，本文采用數(shù)值模擬試算法。具體步驟是：設(shè)計(jì)2級洞塞，計(jì)算各級洞塞的能量損失系數(shù)，將計(jì)算結(jié)果與其對應(yīng)的單級洞塞消能系數(shù)進(jìn)行對比。如果對比結(jié)果有出入，則逐漸加大2級洞塞之間的間距，再次重復(fù)計(jì)算，直到對比結(jié)果相近，則認(rèn)為此時(shí)的2級洞塞之間的間距是洞塞設(shè)計(jì)的合理間距。按照文獻(xiàn)[8]提供的公式計(jì)算洞塞能量損失系數(shù)，即

ξ=0.36(d/D)-5.7。

(1)

式中：ξ為洞塞的能量損失系數(shù)；d/D為孔徑比，本文所計(jì)算的上下級洞塞的孔徑比均相同。

3　計(jì)算模型及計(jì)算條件

數(shù)值模擬采用FLUENT軟件，計(jì)算模型為RNGk-ε模型。RNGk-ε模型相關(guān)控制方程如下[9-11]。

(1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)：

(2)

(2)動量守恒方程：

i=1, 2 。

(3)

(3)k-方程：

(4)

(4)ε-方程：

i=1, 2 。

(5)

式(2)—式(5)中：xi=x,y分別表示軸向和徑向方向的坐標(biāo)；ui=ux，uy分別表示軸向和徑向方向的水流流速；ρ表示水流的密度；p表示壓強(qiáng)；ν表示水流的運(yùn)動黏度；νt表示渦黏度，νt=Cμ(k2/ε)，k表示紊動能，ε表示紊動能耗散率，Cμ=0.085。其他參數(shù)的取值如下：

計(jì)算的邊界條件有入流邊界、出流邊界、對稱軸邊界和壁面邊界。各邊界條件按照以下方法處理。

(1)入流邊界條件有入流平均流速、湍流動能分布、湍流動能耗散率分布，其數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：uin=u0；k=0.014 4u02；ε=k1.5/0.5R，其中，u0為泄洪洞入口平均流速；R為泄洪洞半徑。

(2)出流邊界處理方法：假定出流充分發(fā)展。

(3)對稱軸邊界處理方法：假定徑向速度為0，且各變量沿徑向的梯度均為0。

(4)壁面邊界處理方法：邊界層流中采用無滑移假定，即壁面邊界的速度與邊界節(jié)點(diǎn)速度分量都相等。

圖2　洞塞泄洪洞坐標(biāo)軸Fig.2　Coordinate systemof plug energy dissipater

由于洞塞或孔板泄洪洞一般均水平放置，重力對其水力學(xué)特性的影響不大，因此可忽略。本文所考慮的洞塞泄洪洞為水平放置，忽略重力的影響。洞塞水流數(shù)值模擬的坐標(biāo)軸如圖2所示。由于洞塞泄洪洞水平放置且具有嚴(yán)格的三維軸對稱性，因此過洞塞泄洪洞任一軸線的平面水流特性都相同，故洞塞的三維數(shù)值模擬問題完全可以簡化成軸面二維數(shù)值模擬。本文計(jì)算了圖2中的xz軸面二維泄洪洞平面的水流特性，以xz軸面二維泄洪洞平面的水流特性來代表整過洞塞泄洪洞各個(gè)平面的水流特性。前人的研究成果[6-8]表明，當(dāng)雷諾數(shù)>105時(shí)，雷諾數(shù)對回流區(qū)長度、能量損失系數(shù)幾乎沒什么影響。本文計(jì)算選擇的泄洪洞直徑是0.21 m，計(jì)算流速為1 m/s，計(jì)算時(shí)的雷諾數(shù)均>105。

4　計(jì)算成果分析

計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1中DL是上下級洞塞之間的間距，ξ是按照式(1)計(jì)算得出的洞塞能量損失系數(shù)，ξ1是數(shù)值計(jì)算得出的第2級洞塞能量損失系數(shù)。模擬結(jié)果顯示，孔板間距從5.0D變化到5.7D，第1級洞塞均能發(fā)揮其消能功能。表1計(jì)算得出的是當(dāng)間距不同時(shí)第2級洞塞消能效果。

表1　計(jì)算結(jié)果Table 1　Computation results

從表1可以看出：

(1)在多級洞塞中，洞塞間距受到孔徑比的影響，孔徑比越大，上下級洞塞之間需要的間距也越大，否則第2級洞塞不能充分發(fā)揮其消能功能。例如，當(dāng)上下級洞塞之間的間距是5D，如果兩級洞塞的孔徑比均是0.4，則第2級洞塞只能發(fā)揮其62%的消能功能；如果兩級洞塞的孔徑比均為0.8，則第2級洞塞只能發(fā)揮其91%的消能功能。如果上下級洞塞間距過小，對下級洞塞的消能功能發(fā)揮影響較大。

(2)當(dāng)上下級洞塞間距達(dá)到5.7D以上時(shí)，對于孔徑比在0.4～0.8之間的洞塞，兩級洞塞均能充分發(fā)揮各自的消能功能。當(dāng)然，洞塞間距也不能安排得過大，如果過大會增加工程造價(jià)。因此，當(dāng)孔徑比在0.4～0.8之間時(shí)，上下級洞塞之間的間距安排在(5.4～5.7)D左右是合理的。

(3)在多級洞塞中，各級洞塞水流的恢復(fù)長度均比3D要大，這主要是上下級洞塞之間的干擾所造成的。

5　結(jié)　論

通過數(shù)值模擬方法，研究了兩級洞塞的合理間距，研究結(jié)果表明，當(dāng)孔徑比d/D在0.4～0.8范圍內(nèi)，且上下級洞塞間距達(dá)到5.7D以上時(shí)，各級洞塞均能較好發(fā)揮各自的消能功能，在實(shí)際工程中，上下級洞塞之間的間距安排在5.7D左右是合理的。

參考文獻(xiàn)：

[1]李志華, 陳少華, 陳坤, 等. 一種孔板差壓流量計(jì)性能的數(shù)值研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2014，31(12):129-134.

[2]高建生, 丁則裕, 沈熊. 有壓管道雙孔板水流消能特性試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 1989，(10): 19-27.

[3]才君眉, 張子冀. 孔板消能工的體型對隧洞泄洪消能的影響[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 1994，(3): 48-56.

[4]RUSSELL S O, BALL J W. Sudden-enlargement Energy Dissipator for Mica Dam[J]. Journal of the Hydraulics Division，ASCE，1967，93(4)：41-56.

[5]才君眉, 馬俊, 張子冀, 等. 孔板流場的二維激光測速試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào), 1994，(4):51-60.

[6]WU Jian-hua, AI Wan-zheng. Flows Through Energy Dissipaters with Sudden Reduction and Sudden Enlargement Forms[J]. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 2010, 22(3):234-345.

[7]WU Jian-hua, AI Wan-zheng, ZHOU Qi. Head Loss Coefficient of Orifice Plate Energy Dissipaters[J]. Journal of Hydraulic Research，2010, 48(4):526-530.

[8]AI Wan-zheng, LIU Hu. Research on Energy Dissipation in a Discharge Tunnel with a Plug Energy Dissipater[J]. Transactions of FAMENA，2016,40(3):57-66.

[9]艾萬政,周琦. 孔板后回流區(qū)長度數(shù)值模擬研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2011, 26(6):731-735.

[10] 劉善均, 楊永全, 許唯臨,等. 洞塞泄洪洞的水力特性研究[J]. 水利學(xué)報(bào),2002,33(7):41-46.

[11] BOHAN J P. Mechanics of Stratified Flow Through Orifice[J]. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 1970, 96(12): 2401-2417.