二相流數(shù)值模擬在泄洪洞空蝕研究中的應(yīng)用

向賢鏡，袁 強(qiáng)

（1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司重慶分公司，重慶 401123）

1 引言

立洲水電站系木里河干流（上通壩—阿布地河段）水電規(guī)劃“一庫(kù)六級(jí)”的第六個(gè)梯級(jí)，上游接固增水電站，下游為錦屏一級(jí)水電站庫(kù)區(qū)，壩址區(qū)位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)博科鄉(xiāng)下游立洲巖子至八科索橋2.4 km的河段。電站屬二等大（2）型水電工程，樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸地下長(zhǎng)引水隧洞及右岸地面發(fā)電廠房組成。水庫(kù)正常蓄水位2 088 m，正常蓄水位以下庫(kù)容1.787億m3，最大壩高132.0 m，電站裝機(jī)容量355 MW，多年平均發(fā)電量為15.46 億kW·h，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。

該水電站的泄洪洞出現(xiàn)空蝕破壞。運(yùn)用三維數(shù)值模擬，對(duì)泄洪洞跌空蝕情況進(jìn)行研究。泄洪水流的數(shù)值模擬涉及水氣二相流問題。由于水氣二相流問題本身就很復(fù)雜，同時(shí)水舌的邊界事先都是未知的，邊界確定比較困難，所以它一直是計(jì)算流體力學(xué)的難點(diǎn)［1-5］。在前人研究的基礎(chǔ)上，采用雙方程紊流模型，引入水氣二相流的 VOF 模型，運(yùn)用 PISO［6］算法，對(duì)泄洪水流進(jìn)行了三維非恒定流數(shù)值模擬。

2 三維數(shù)值模擬

2.1 模型建立

按1∶1 實(shí)際尺寸建立三維模型。坐標(biāo)系中Y 方向?yàn)殂U直方向，Y 坐標(biāo)值即為高程值，X 軸正方向?yàn)樗鞣较颍琙 軸方向?yàn)榇怪彼鞣较?。YZ 平面對(duì)應(yīng)泄洪洞起始面。模擬范圍為一整個(gè)泄洪洞區(qū)域，并從泄洪洞起始面向上游延伸5 m。

采用VOF 方法追蹤自由水流表面，紊流模型選擇RNG 模型，速度壓力耦合采用PISO 算法。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)格扭曲率控制在0.45 以內(nèi)。網(wǎng)格尺寸最小為0.2 m、最大為0.4 m，單元體總數(shù)12萬個(gè)左右。模擬計(jì)算采用非恒定流算法逼近恒定流穩(wěn)定解，時(shí)間步長(zhǎng)取0.001。水流入口采用壓力進(jìn)口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，對(duì)進(jìn)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。壁面邊界設(shè)為無滑移邊界條件，黏性底層采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法處理。

本數(shù)值模擬采用Gambit 軟件建立模型，F(xiàn)luent軟件進(jìn)行流體水力學(xué)計(jì)算，Tecplot軟件進(jìn)行后處理。

圖1為原體型模型三維立體圖，圖2為原體型模型網(wǎng)格剖分圖。圖3為體型二示意圖，圖4為體型三示意圖。體型二在原體型的基礎(chǔ)上，混凝土從跌坎處向下游方向延伸1 m。體型三在原體型的基礎(chǔ)上，混凝土從跌坎處向下游方向延伸1.3 m。

圖1 原體型模型三維立體

圖2 原體型模型網(wǎng)格剖分

圖3 體型二示意

圖4 體型三示意

2.2 計(jì)算工況

本次數(shù)值模擬計(jì)算共分2個(gè)工況。

工況1：上游水位為校核洪水位2 090.38 m，閘門全開。

工況2：上游水位為正常蓄水位2 088.00 m，閘門開度2 m。

各工況未考慮設(shè)通氣孔。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖5—10 為各工況下泄洪的壓強(qiáng)分布圖，不同的壓強(qiáng)用深淺不同的顏色表示?？v坐標(biāo)為高程。坐標(biāo)單位為m，壓強(qiáng)單位為kPa。

圖5 原體型閘門全開時(shí)壓強(qiáng)分布（單位：kPa）

圖6 體型二閘門全開時(shí)壓強(qiáng)分布（單位：kPa）

圖7 體型三閘門全開時(shí)壓強(qiáng)分布（單位：kPa）

圖8 原體型開度2 m時(shí)壓強(qiáng)分布（單位：kPa）

圖9 體型二開度2 m時(shí)壓強(qiáng)分布（單位：kPa）

圖10 體型三開度2 m時(shí)壓強(qiáng)分布（單位：kPa）

由圖5—10 可知，3 種體型在2 m 閘門開度時(shí)均無負(fù)壓出現(xiàn)。在閘門全開工況下，原體型在跌坎附近出現(xiàn)負(fù)壓；體型二在閘門全開時(shí)在跌坎處出現(xiàn)負(fù)壓，負(fù)壓大小和分布與原體型類似；體型三在閘門全開時(shí)在跌坎處出現(xiàn)負(fù)壓，負(fù)壓分布與另2 個(gè)體型類似，但負(fù)壓值更大。

3 結(jié)語

原體型到體型一到體型三，跌坎位置向下游移動(dòng)，跌坎高度增加。假設(shè)跌坎位置移動(dòng)到泄洪洞出水口，則與空氣接觸，無負(fù)壓產(chǎn)生。假設(shè)跌坎高度增加很大，則類似于瀑布，應(yīng)該幾乎沒有負(fù)壓產(chǎn)生。如果沒有跌坎，水體應(yīng)該是充滿洞體無負(fù)壓的。而跌坎從原體型下移到體型三，跌坎高度增加時(shí)負(fù)壓增大，最終下移到水口時(shí)負(fù)壓又變?yōu)?。所以，閘門開度比較大時(shí)可以認(rèn)為在一定范圍內(nèi)，隨著跌坎位置的下移或跌坎高度的增加，負(fù)壓值先增大后減小，呈開口向下的拋物線分布。

綜上，該研究對(duì)于其他工程類似問題也有著重要的參考價(jià)值。