寬大泄槽摻氣結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究

別玉靜，李浩田

(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，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 前 言

泄洪建筑中無(wú)論是溢洪道或泄洪洞，都存在寬大泄槽高速水流摻氣難的問(wèn)題[1]，解決好寬大泄槽的摻氣問(wèn)題，有利于泄洪系統(tǒng)的運(yùn)行安全[2]，常規(guī)的泄槽摻氣結(jié)構(gòu)主要依靠邊墻兩側(cè)開(kāi)孔的方式向水流摻氣[3-4]，但寬大泄槽中部摻氣效果較差，這種現(xiàn)象隨著泄槽寬度的增大，愈發(fā)顯著。摻氣盲區(qū)的結(jié)構(gòu)在高速水流作用下，易發(fā)生空蝕破壞，影響泄槽運(yùn)行安全[5]。本文主要依托某水電站工程，對(duì)泄槽摻氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以解決泄槽中部摻氣的難題。

1 計(jì)算模型與邊界

本次數(shù)值模擬采用k-ε紊流模型和VOF法計(jì)算溢洪道的一級(jí)摻氣坎。針對(duì)溢洪道摻氣坎建立三維數(shù)學(xué)模型，泄槽寬度為50 m，底坡i=7.5%，挑坎高Δ=3.5 m，挑坎坡度1∶16。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格數(shù)量337萬(wàn)，摻氣坎兩側(cè)邊墻設(shè)置2 m×2 m的矩形摻氣槽，跌坎內(nèi)側(cè)設(shè)有6個(gè)通氣孔作為中部補(bǔ)氣管，通過(guò)兩根圓形摻氣管與大氣連通，支管間距為4 m。進(jìn)出口邊界條件分別為速度進(jìn)口和壓力出口，壁面采用無(wú)滑移邊界。

2 摻氣管管徑對(duì)摻氣空腔的影響

分別計(jì)算了以下情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1和表1，計(jì)算結(jié)果提取挑坎下游0.5m處斷面。①支管管徑均為0.8m，泄量為6 000 m3/s的情況下，主管管徑為1.0、1.1、1.2 m時(shí)摻氣空腔的變化；②主管管徑均為1.2m，泄量為6000 m3/s情況下，主管管徑為0.6、0.8、1.0m時(shí)摻氣空腔的變化。

表1 不同摻氣結(jié)構(gòu)尺寸下?lián)綒饪涨淮笮?取泄槽中部縱斷面)

圖1 不同摻氣管管徑下溢洪道摻氣坎下游0.5 m處水-氣流狀態(tài)

研究摻氣管結(jié)構(gòu)在不同尺寸下，摻氣空腔的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，隨著主管管徑增大，混合空腔長(zhǎng)度和純空腔長(zhǎng)度增大，積水深度減小，說(shuō)明主管直徑越大，摻氣效果越好；對(duì)于摻氣支管來(lái)說(shuō)，隨著支管管徑的增大，混合空腔長(zhǎng)度、空腔長(zhǎng)度和積水深度并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律，但可以看出，在摻氣支管0.8m時(shí)，混合空腔長(zhǎng)度最大，積水深度最小，因此推薦選擇摻氣主管直徑1.2 m，6個(gè)支管直徑0.8 m組合作為溢洪道摻氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)組合。

3 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后的摻氣結(jié)構(gòu)實(shí)用性，在不同泄量下的摻氣情況是否滿足規(guī)范與運(yùn)行要求，分別計(jì)算了小泄量(3 000 m3/s)和大泄量(9 000m3/s)情況下的摻氣情況，見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯诤侠淼墓こ陶{(diào)度前提下，該結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較好。

在3 000m3/s的泄量下，所有的摻氣孔均通氣良好，橫縱斷面均顯示出明顯的摻氣空腔，且空腔穩(wěn)定，表明摻氣效果良好，泄槽中部存在較大的水氣混合空腔，起到了對(duì)中部摻氣的效果。在9 000 m3/s的大泄量下，僅有邊墻兩側(cè)的矩形摻氣孔和挑坎上靠近中部的圓形摻氣孔通氣良好，其余4個(gè)摻氣孔均充滿水氣摻混物，且中間部位有回流產(chǎn)生，說(shuō)明兩側(cè)的摻氣得到了改善，但中部20 m范圍內(nèi)，摻氣效果仍然較弱。

4 總 結(jié)

傳統(tǒng)的邊墻兩側(cè)布置摻氣槽的方式，寬大泄槽中部摻氣效果較差，通過(guò)在摻氣坎中部增加摻氣圓管的方式，很好地解決了泄槽中部摻氣問(wèn)題[6]。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的摻氣結(jié)構(gòu)作用明顯，可以為工程安全運(yùn)行提供可靠保障。

在確定摻氣管數(shù)量后，研究不同摻氣管管徑對(duì)摻氣空腔的影響，結(jié)果表明，泄槽中部的摻氣對(duì)摻氣主管管徑變化較為敏感，主管管徑越大，對(duì)中部的改善效果越好，對(duì)摻氣支管的管徑變化不敏感。最終得到的最佳組合為：摻氣主管直徑1.2 m、摻氣支管管徑0.8 m。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的摻氣結(jié)構(gòu)對(duì)泄槽中部摻氣起到了作用，尤其是在中、小泄量的情況下，對(duì)泄槽中部摻氣改善明顯。摻氣孔的摻氣效果受到泄量影響較大，大泄量情況下，泄槽中部20 m范圍內(nèi)的摻氣效果仍然較弱，存在空蝕空化破壞可能性較大，還有待進(jìn)一步深入研究。

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