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)到下游河道進行了三維非恒定流數(shù)值模擬，對泄洪閘室水力特性進行研究。

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口邊界條件，水流出口采用壓力出口邊界條件，對進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。

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)負壓，局部有出現(xiàn)空蝕破壞可能，有必要在適當(dāng)位置進行摻氣設(shè)置。修改體型較原體型的負壓極值有所減小，但負壓范圍略有增大。

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。