二相流數(shù)值模擬在泄洪閘室水力特性研究中的應(yīng)用

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 述

枕頭壩一級水電站為枕頭壩河段兩級堤壩式開發(fā)的第一級，其上一級為深溪溝水電站，下一級為枕頭壩二級和沙坪水電站。壩址處控制流域面積73057km2，多年平均流量1360m3/s。電站采用堤壩式開發(fā)，為河床式廠房，正常蓄水位624.00m，最大壩高86.5m，電站裝機容量720MW，多年平均發(fā)電量32.90億kW·h，正常蓄水位以下庫容0.44億m3，水庫總庫容0.47億m3，為徑流式電站。開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游用水。

該水電站在泄洪閘室底板出現(xiàn)沖刷破壞，并在某些工況下出現(xiàn)泄洪閘門異響。本文采用雙方程紊流模型，引入水氣二相流的VOF模型，運用PISO算法，對從上游庫區(qū)到下游河道進(jìn)行了三維非恒定流數(shù)值模擬，對泄洪閘室水力特性進(jìn)行研究。

2 三維數(shù)值模擬

2.1 模型建立

按1∶1實際尺寸建立三維模型。坐標(biāo)系中Z坐標(biāo)值即為高程值，X軸正方向為水流方向，X軸原點為壩縱0+000.00處。Y軸原點對應(yīng)壩橫0+302.55處。模擬范圍上游起始為壩縱0+000.00向上游取45m處，末端為壩縱0+000.00向下游取319m處，并對廠房壩段上下游區(qū)域做了適當(dāng)簡化。模型分區(qū)域劃分網(wǎng)格，全部使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格扭曲率(skewness)控制在0.45以內(nèi)。網(wǎng)格尺寸最小為0.8m，最大為2.5m，單元體總數(shù)25萬個左右。模擬計算用非恒定流算法逼近恒定流穩(wěn)定解，時間步長取0.004～0.01s。水流入口采用壓力進(jìn)口邊界條件，水流出口采用壓力出口邊界條件，對進(jìn)口和出口采用明渠流邊界限定。所有氣體邊界都采用壓力邊界條件，其上的壓力為大氣壓值。圖1為模型三維立體圖，圖2為模型網(wǎng)格剖分圖。

圖1 模型三維立體圖

圖2 模型網(wǎng)格剖分圖

2.2 體型說明和計算工況

閘室段底板原體型為折線連接(見圖3)。在壩縱0+036.154和壩縱0+039.794之間增加半徑為15m角度為14°的弧形過渡體型為修改體型(見圖4)。

圖3 原體型示意圖

圖4 修改體型示意圖

弧形工作閘門寬8m，高16m。只開中間一個閘門，開度8m，根據(jù)泄洪閘弧形門運行實測水位，此工況下上游水位622.20m，下游水位593.60m。

2.3 計算結(jié)果及分析

圖5 原體型閘門中軸面速度矢量圖 (單位：m/s)

由原體型閘門中軸面速度矢量圖(見圖5)與修改體型閘門中軸面速度矢量圖(見圖6)對比可知，二者速度范圍差不多，最大速度約為24m/s。原體型由于沒有弧形過渡，水流從跌坎處躍過砸向消力池底板，消能不均勻，局部地區(qū)能量過大，容易損壞建筑結(jié)構(gòu)。修改體型加了弧形過渡后，貼邊流速更為均勻。從速度矢量圖上看，修改體型的能量分布較原體型更為均勻，水躍離閘門距離更遠(yuǎn)。

圖6 修改體型閘門中軸面速度矢量圖 (單位：m/s)

由原體型閘門中軸面壓強圖(見圖7)與修改體型閘門中軸面壓強圖(見圖8)對比可知，二者均在跌坎轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)負(fù)壓，局部有出現(xiàn)空蝕破壞可能，有必要在適當(dāng)位置進(jìn)行摻氣設(shè)置。修改體型較原體型的負(fù)壓極值有所減小，但負(fù)壓范圍略有增大。

圖7 原體型閘門中軸面壓強 (單位：kPa)

圖8 修改體型閘門中軸面壓強 (單位：kPa)

由原體型消力池底板速度矢量圖(見圖9)與圖修改體型消力池底板速度矢量(見圖10)對比可知，修改體型較原體型有較大范圍的較高流速分布于消力池底板，其水流擴散較充分。說明修改體型的水流能量更多地消耗在消力池范圍，對閘室段的沖刷較小。

圖9 原體型消力池底板速度矢量圖 (單位：m/s)

圖10 修改體型消力池底板速度矢量圖 (單位：m/s)

3 結(jié) 語

通過對泄洪閘室底板原體型與修改體型的水力特性進(jìn)行對比分析可知，增加弧形過渡的修改體型對閘室段底板有更好的保護作用。改用修改體型后閘室段的水力特性明顯改善。