基于數(shù)值模擬的齒墩間距對消能效果的影響研究

關(guān) 健

(新民市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心,遼寧 沈陽 110300)

隨著水利工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壩建設(shè)數(shù)量迅速增加，因而對泄洪消能的需求也不斷提高。由于突擴(kuò)、突縮式內(nèi)消能工具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、消能效果好等諸多優(yōu)勢，在近年來的水利工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，內(nèi)消能工主要有孔板、洞塞與齒墩三種主要類型。其中，齒墩式消能工是在洞塞式消能工的基礎(chǔ)上在有壓管道或泄洪洞內(nèi)去掉洞塞的一部分，設(shè)置幾個齒墩，以達(dá)到增加過流能力并兼顧消能效果的雙重作用[2]。由于齒墩尺寸和梯形對消能效果存在決定性影響，相關(guān)學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了諸多研究。其中，張楊[3]利用數(shù)值模擬的方法對齒墩的長度進(jìn)行研究，結(jié)論顯示流量相同的條件下，消能率會隨著齒墩長度的增大先減小、后增大、再趨于穩(wěn)定。張澤[4]的研究還顯示，在面積收縮比相同的條件下，消能率會隨著齒墩數(shù)目的增加而減小，且在4個齒墩情況下具有最好的抗空化效果。李斌[5]的研究結(jié)果顯示，在其他條件相同時，二級齒墩比一級齒墩的消能效果要好，同時齒墩間距大于100 cm 時，旋轉(zhuǎn)角對消能率的影響極為有限。在前期研究成果的基礎(chǔ)上，本文利用數(shù)值模擬的方法，對不同齒墩間距下的消能特征進(jìn)行研究，以獲得最佳齒墩間距。

1 計算模型的構(gòu)建1.1 工程布置與模擬參數(shù)

參照宋佳杰[6]在相關(guān)研究中使用的數(shù)值模擬計算幾何模型，本次模擬設(shè)計水頭為3 m，管道長度為370 cm。二級齒墩內(nèi)消能工位于模型的中部，前面設(shè)計為110 cm的長度，使水流達(dá)到第一級齒墩部位時呈近似均勻流狀態(tài)，在第二級齒墩的后面留有213 cm的長度，以保證出流水流具備足夠的發(fā)展變化空間。根據(jù)前文所述的研究成果，齒墩個數(shù)為4個，齒墩高為3.75 m，長13.50 cm，面積收縮比為0.5。

1.2 模型的構(gòu)建

模型創(chuàng)建是流體數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合本次研究對象的實際特點以及相關(guān)研究經(jīng)驗，采用AutoCAD三維建模軟件進(jìn)行研究對象的幾何建模，利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計算模型的構(gòu)建[7]。一般情況下，模型的網(wǎng)格劃分越密集，計算精度越高，但是計算量也會急劇增大，因此，本次研究基于軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，全部采取非結(jié)構(gòu)化的活動網(wǎng)格進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分[6]，劃分過程中設(shè)定網(wǎng)格間距為10 mm，最終獲得294 110個網(wǎng)格單元，244 268個計算節(jié)點。

1.3 邊界條件

結(jié)合本次研究的實際情況以及本領(lǐng)域的研究成果，設(shè)定如下邊界條件：對于模型的入口選取液相速度入口邊界條件與氣相壓力入口邊界條件[8]。具體而言，根據(jù)模型入口部位的設(shè)計流量，計算入口邊界均勻來流條件。對于模型的出口，設(shè)置壓力出口邊界條件，模型下游出口處的水流可以自由發(fā)展，沒有回流現(xiàn)象出現(xiàn)；模型設(shè)置為無滑移的固壁邊界條件。

1.4 試驗工況設(shè)計

根據(jù)前文所述，當(dāng)齒墩間距大于100 cm時，旋轉(zhuǎn)角對消能率的影響極為有限，因此在數(shù)值模擬研究中選取40 cm、60 cm、80 cm和100 cm四種不同的齒墩間距方案，對每種方案分別選取18 L/s，27 L/s，36 L/s三種不同的流量進(jìn)行模擬計算，總共需要進(jìn)行12個組次的計算。

2 模擬計算結(jié)果與分析

2.1 消能率分析

顯然，設(shè)計為二級齒墩消能工的主要目的就是提高消能效果，而消能率是判斷水工建筑物消能效果的主要指標(biāo)，其計算公式如式(1)。

(1)

式中：η為消能率；hW為消能前后水頭差，m；H為總水頭，m。

利用式(1)對不同計算組次下的齒墩消能工的消能率進(jìn)行計算，結(jié)果如表1所示。

表1 不同組次下的消能率計算結(jié)果

利用表1中的數(shù)據(jù)，以齒墩間距為橫坐標(biāo)；以消能率為縱坐標(biāo)，獲得不同流量條件下的消能率隨齒墩間距的變化曲線，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在相同流量條件下，齒墩間距對消能率的影響十分明顯，隨著齒墩間距的增大，不同方案下的消能率也在逐漸增大。另一方面，在齒墩間距相同時，流量越大消能率也越大，究其原因，主要是大流量情況下齒墩前后的局部水頭損失更大。

圖1 消能率與齒墩間距關(guān)系曲線

2.2 時均流速變化

利用模型計算的方法獲取管道中心軸部位的時均流速，繪制出如圖2～圖4所示的不同流量和齒墩間距條件下的管道中心軸時均流速分布曲線。由圖可知，在相同齒墩間距條件下，模型中心軸時均流速分布在不同流量條件下呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律。具體而言，在第一齒墩前各方案的時均流速基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。究其原因，主要是水流達(dá)到第一齒墩前的沿程管道面積保持不變，流速分布比較均勻，變化幅度非常小。在兩級齒墩的進(jìn)口部位中心軸時均流速變化劇烈，并在齒墩內(nèi)部達(dá)到最大值。究其原因，主要是在齒墩部位水流的過流斷面明顯收縮，流速相應(yīng)增大，在水流流出齒墩部位后，斷面恢復(fù)正常，流速則逐漸變小并恢復(fù)穩(wěn)定，在各個方案下，中心軸流速均在二級齒墩出口以下約80 cm處趨于平穩(wěn)。

在齒墩間距不同，流量相同的條件下，各組方案的中心軸流速在管道進(jìn)口至一級齒墩出口之間的時均變化特征基本相同，二級齒墩部位的最大流速相比一級齒墩部位更大，且隨著齒墩間距的增加，二級齒墩部位的最大流速逐漸減小。從計算結(jié)果來看，在流量為36 L/s，齒墩間距分別為40 cm、60 cm、80 cm和100 cm條件下，二級齒墩部位的最大流速與一級齒墩部位的最大流速相比，分別大13.8%、11.6%、4.3%、0.0%；在流量為27 L/s和18 L/s，齒墩間距分別為40 cm、60 cm、80 cm和100 cm條件下，二級齒墩部位的最大流速與一級齒墩部位的最大流速相比，分別大11.4%、6.6%、2.5%、0.0%。由此可見，在齒墩間距為100 cm時，兩級齒墩部位的最大流速基本相同；究其原因，主要是齒墩的間距越大，兩級齒墩之間的影響就越小，當(dāng)齒墩間距增大到100 cm時，兩級齒墩之間的影響微乎其微，可以忽略不計。

圖2 18 L/s中心軸流速分布圖

圖3 27 L/s中心軸流速分布圖

圖4 36 L/s中心軸流速分布圖

2.3 紊動能分布規(guī)律

高速水流經(jīng)過齒墩式內(nèi)消能工過程，僅有一小部分能量通過水流與消能工摩擦轉(zhuǎn)化為熱量散失，其余大部分能量則在經(jīng)過齒墩后由于剪切力的作用轉(zhuǎn)化為紊動能。因此，通過對二級齒墩紊動能的分析，可以進(jìn)一步了解齒墩式內(nèi)消能工消能特點與內(nèi)在機(jī)理。鑒于管道內(nèi)水流紊動能主要是由于水流經(jīng)過齒墩過程中的剪切效應(yīng)產(chǎn)生的，因此其變化主要位于兩級齒墩的后方。因此，研究中在兩級齒墩的出口0.4D位置各選擇一個典型斷面，對紊動能進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。由表格中的計算結(jié)果可知，在不同齒墩間距條件下，二級齒墩出口斷面的紊動能均值隨著齒墩間距的增大而逐漸增大，這與上文消能率變化特征基本一致，說明紊動能的變大導(dǎo)致紊動消耗的能量變多，因此消能率也明顯增加；二級齒墩出口斷面的紊動能最大值明顯大于一級齒墩出口部位的紊動能最大值，前者約為后者的2.4～2.5倍。

表2 典型斷面紊動能計算結(jié)果 m2/s2

3 結(jié) 論

研究齒墩式內(nèi)消能工結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對其消能效果影響，對促進(jìn)該消能工結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，提高其工程應(yīng)用價值具有重要意義。本文以數(shù)值模擬的方式對兩級消能工齒墩間距對消能效果的影響進(jìn)行研究，并獲得如下主要結(jié)論：

(1) 在相同流量條件下，隨著齒墩間距的增大消能率也逐漸增大；在齒墩間距相同時，流量越大消能率也越大。

(2) 在相同齒墩間距條件下，模型中心軸時均流速分布在不同流量條件下呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律。在第一齒墩前各方案的時均流速基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，在兩級齒墩的進(jìn)口部位中心軸時均流速變化劇烈，并在齒墩內(nèi)部達(dá)到最大值，在二級齒墩出口以下約80 cm處趨于平穩(wěn)。

(3)在齒墩間距不同，流量相同的條件下，二級齒墩部位的最大流速相比一級齒墩部位更大，且隨著齒墩間距的增加，二級齒墩部位的最大流速逐漸減小。當(dāng)齒墩間距增大到100 cm時，兩級齒墩之間的影響微乎其微。

(4) 在不同齒墩間距條件下，二級齒墩出口斷面的紊動能均值隨著齒墩間距的增大而逐漸增大，二級齒墩出口斷面的紊動能最大值明顯大于一級齒墩出口部位的紊動能最大值，前者約為后者的2.4～2.5倍。