增設(shè)摻氣坎對(duì)溢洪道水力特性的影響分析

曾 櫻

(深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司,廣東 深圳 518000)

在水利工程領(lǐng)域,溢洪道是一種常用的水工結(jié)構(gòu),用于控制水庫或河流中的洪水。溢洪道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)于確保水庫安全、降低洪水風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。近年來,隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和數(shù)值計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展,研究人員能夠更準(zhǔn)確地模擬和分析溢洪道的水力特性。而摻氣坎是一種常用的溢流調(diào)節(jié)措施,通過引入空氣氣泡,可以改變溢洪道中水流的流動(dòng)特性。本文基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值計(jì)算平臺(tái),建立溢洪道幾何模型,通過數(shù)值模擬分析,探討增設(shè)摻氣坎對(duì)溢洪道水力特性的影響。通過研究摻氣坎的影響,可以為溢洪道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。

表1 溢洪道幾何模型建立考慮因素

1 基于CFD及數(shù)值計(jì)算平臺(tái)的溢洪道幾何模型建立

在水利工程領(lǐng)域,溢洪道是一種重要的水工結(jié)構(gòu),用于控制水庫或河流中的洪水。為了準(zhǔn)確地分析和優(yōu)化溢洪道的水力特性,基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和數(shù)值計(jì)算平臺(tái)的溢洪道幾何模型建立是非常重要的。

1.1 溢洪道幾何模型建立考慮因素

在基于CFD模型和數(shù)值計(jì)算平臺(tái)建立溢洪道幾何模型時(shí),需要考慮以下因素,如表1所示。

1.2 溢洪道幾何模型建立步驟

溢洪道幾何模型建立的步驟如圖1所示。具體步驟如下所述:

圖1 溢洪道幾何模型建立步驟圖

1.2.1 建立幾何模型

根據(jù)實(shí)際情況,收集溢洪道的幾何數(shù)據(jù),包括進(jìn)口、出口、溢流段等關(guān)鍵位置的尺寸和形狀。使用CAD軟件,繪制溢洪道的幾何形狀。對(duì)繪制的幾何模型進(jìn)行精細(xì)化處理,以便更好地反映實(shí)際情況[4]。根據(jù)需要,可以添加細(xì)節(jié)、修整邊緣、修正尺寸等,以使幾何模型更加真實(shí)和準(zhǔn)確。完成幾何模型的繪制和精細(xì)化處理后,將其導(dǎo)出為合適的文件格式,如.STL、.STEP、IGES等。這些文件格式通常可被CFD軟件識(shí)別和導(dǎo)入。打開所選的CFD軟件,導(dǎo)入之前導(dǎo)出的幾何模型文件。CFD軟件會(huì)將幾何模型加載到計(jì)算環(huán)境中,以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)值模擬和分析。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

使用網(wǎng)格生成軟件,對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)溢洪道的復(fù)雜性和計(jì)算要求,選擇合適的網(wǎng)格類型(如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)和劃分方法,生成合適的網(wǎng)格。根據(jù)數(shù)值模擬的需求和幾何模型的特點(diǎn),對(duì)生成的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。這包括調(diào)整網(wǎng)格密度、平滑網(wǎng)格、修正不良網(wǎng)格等操作,以提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[5]。進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查,確保網(wǎng)格的質(zhì)量符合要求。常見的網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)包括網(wǎng)格尺寸一致性、網(wǎng)格畸變程度、網(wǎng)格剖分比例等。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到所選的CFD軟件中,以進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。

1.2.3 邊界條件設(shè)定

根據(jù)實(shí)際情況和模擬目的,設(shè)置溢洪道的邊界條件。包括進(jìn)口邊界條件(如流量或水位),出口邊界條件(如壓力或自由出流),以及其他相關(guān)邊界條件(如壁面摩擦和湍流模型選擇)。邊界條件的設(shè)定要與實(shí)際情況相符合,要考慮到溢洪道的幾何形狀、水動(dòng)力特性等因素[6]。盡量使用真實(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)或合理的假設(shè)來設(shè)定邊界條件,以提高數(shù)值模擬的可靠性。對(duì)于較復(fù)雜的邊界條件,可以參考相關(guān)文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果或其他模型的經(jīng)驗(yàn)來選擇合適的設(shè)定方式。

1.2.4 物理模型設(shè)定

根據(jù)模擬需求,選擇合適的物理模型和數(shù)值方法。在溢洪道模擬中,通常采用Navier-Stokes方程和湍流模型來描述水流的運(yùn)動(dòng)和湍流效應(yīng)。根據(jù)實(shí)際情況和模擬目的,選擇適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ?如k-ε模型或k-ω模型)。物理模型設(shè)定應(yīng)與實(shí)際情況相符合,要充分考慮溢洪道的幾何形狀、水動(dòng)力特性等因素。根據(jù)研究目的和可用數(shù)據(jù),選擇合適的物理模型和參數(shù)。物理模型設(shè)定需要進(jìn)行合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化,以保證計(jì)算的可行性和計(jì)算效率[7]。

1.2.5 模擬運(yùn)行

使用CFD軟件,對(duì)溢洪道模型進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)設(shè)定的網(wǎng)格、邊界條件、物理模型和數(shù)值方法,進(jìn)行模擬運(yùn)行。使用CFD和數(shù)值計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算,得到溢洪道流動(dòng)的數(shù)值解[8]。在模擬運(yùn)行過程中,可以監(jiān)控和記錄關(guān)鍵的參數(shù)和結(jié)果,以便后續(xù)分析和評(píng)估。

1.2.6 結(jié)果分析

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理和分析。使用CFD軟件提供的后處理工具,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化、數(shù)據(jù)提取和分析,對(duì)溢洪道的流速、壓力、流線和渦旋等進(jìn)行可視化展示,并進(jìn)行定量分析和對(duì)比[9]。通過分析結(jié)果,獲取溢洪道的水力特性信息。

2 增設(shè)摻氣坎的溢洪道幾何模型模擬

2.1 摻氣坎概述

摻氣坎是一種常用的水工結(jié)構(gòu),通常用于溢洪道、泄洪隧洞等水利工程中。它通過引入空氣氣泡,改變水流的流動(dòng)特性,從而達(dá)到調(diào)節(jié)水流的目的。摻氣坎通常由一個(gè)或多個(gè)隔板和一個(gè)氣泵組成,隔板上開有一些小孔,氣泵將空氣壓入隔板內(nèi),形成氣泡,將其釋放到水流中,使氣泡與水流混合,從而改變水流的流動(dòng)特性。摻氣坎的主要作用是增加水流的混合和擴(kuò)散,從而減小水流的速度和壓力,防止因水流速度過快而引起的水位下降和局部沖刷等問題。此外,摻氣坎還可以提高水流的氧含量,改善水質(zhì),有利于水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和恢復(fù)。

摻氣坎的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要考慮多種因素,如摻氣坎的位置、形狀、氣泵壓力、氣泡大小等[10]。摻氣坎的位置通常選在溢洪道的下游、泄洪隧洞的出口等位置,以確保其對(duì)水流的影響。摻氣坎的形狀可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整,如圓形、方形、三角形等。氣泵壓力和氣泡大小的選擇需要根據(jù)水流的特性和模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到最佳效果[11]。

2.2 增設(shè)摻氣坎的溢洪道幾何模型建立

在已建立的溢洪道幾何模型的基礎(chǔ)上,建立增設(shè)摻氣坎的幾何模型,根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求,確定摻氣坎的數(shù)量、間距和噴口參數(shù)等。

2.2.1 數(shù)值模型

使用三維雷諾平均方程:

(1)

(2)

式(1)、(2)中:ui表示分量的均速;xi、xj表示坐標(biāo)(1,2,3);t表示時(shí)間;p表示壓力;ρ表示密度;v表示動(dòng)態(tài)黏度;sij表示應(yīng)變張量;τij表示應(yīng)力張量。

數(shù)值模型中,選用RNG k-ε湍流模型、Fluent-2D軟件中的VOF模型,時(shí)間步長(zhǎng)選取0.1 s,總時(shí)間30 s,使用有限體積法進(jìn)行求解。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

使用2D三角形網(wǎng)格類型,分別用10、20、50和100 cm的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行靈敏度分析,最終選擇10 cm作為最佳網(wǎng)格尺寸。

2.2.3 邊界條件

模型中選擇溢洪道上游入流速率、溢洪道下游流出速率、溢洪道底部過水流量、溢洪道頂部過水流量、溢洪道左側(cè)過水流量、溢洪道右側(cè)過水流量作為邊界條件[12]。

2.2.4 模擬運(yùn)行

對(duì)增設(shè)摻氣坎前后溢洪道各進(jìn)行30 s運(yùn)行模擬,得到溢洪道的水位、水流速度、水流分布、水體氧含量、水流沖刷等水利特性。

3 增設(shè)摻氣坎對(duì)水力特性的影響分析

通過對(duì)增設(shè)摻氣坎前后溢洪道水力特性模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得到增設(shè)摻氣坎后的水力特性變化情況:

3.1 降低水位

摻氣坎引入的氣泡會(huì)在水流中上升,形成向上的浮力,這種氣泡抬升效應(yīng)可以減小水位,特別是在溢洪道中較靠近摻氣坎的位置。氣泡的存在會(huì)增加水流的阻力,從而減小水流的速度和壓力,進(jìn)而降低水位,通過增加摻氣坎的數(shù)量或調(diào)整摻氣坎的布置方式,可以增加氣泡的數(shù)量和分布,進(jìn)一步降低水位。摻氣坎引入的氣泡可以增加水流的混合和擴(kuò)散,從而降低水流的速度和壓力,進(jìn)而降低水位,通過調(diào)整摻氣坎的形狀、尺寸和布置方式,可以增加氣泡與水流的接觸面積,提高混合效果,從而降低水位。

3.2 減小水流速度

氣泡的存在會(huì)增加水流的阻力,從而減小水流的速度,摻入的氣泡會(huì)與水流發(fā)生摩擦,使水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣泡運(yùn)動(dòng)能,從而降低水流速度。摻氣坎引入的氣泡可以增加水流的混合和擴(kuò)散,從而減小水流的速度,氣泡的存在會(huì)增加水流的表面積,使水流更加分散,從而減緩水流速度。氣泡產(chǎn)生的浮力會(huì)與水流的壓力形成抵抗,從而減小水流的速度,氣泡的存在會(huì)改變水流的流線,增加水流的路徑長(zhǎng)度,使水流速度減小。氣泡的存在會(huì)使水流發(fā)生不規(guī)則的擾動(dòng),從而減小水流的速度,氣泡與水流的相互作用會(huì)產(chǎn)生阻尼效應(yīng),使水流動(dòng)能損失,從而降低水流速度。

3.3 改善水流分布

摻氣坎引入的氣泡可以增加水流的混合和擴(kuò)散,從而改善水流的分布,氣泡的存在促進(jìn)了水流的混合,使水流更加均勻地分布在溢洪道中,避免了水流過度集中或偏移的情況。氣泡的存在會(huì)增加水流的阻力,從而改變水流的流態(tài)和分布,通過合理布置摻氣坎的數(shù)量和位置,可以控制氣泡的分布和分散程度,從而調(diào)節(jié)水流的分布情況。氣泡產(chǎn)生的浮力會(huì)與水流的壓力形成抵抗,從而影響水流的分布,通過調(diào)整摻氣坎的形狀和尺寸,可以改變氣泡的產(chǎn)生位置和浮力大小,進(jìn)而調(diào)節(jié)水流的分布情況。摻氣坎的安裝位置和布局方式可以對(duì)水流進(jìn)行引導(dǎo),從而改善水流的分布,通過合理設(shè)計(jì)摻氣坎的位置和布置,可以引導(dǎo)水流在溢洪道中形成更加均勻和穩(wěn)定的分布。

3.4 增加水體氧含量

摻氣坎引入的氣泡可以增加水流的混合和擴(kuò)散,從而增加水體的氧含量,氣泡的存在可以增加水體表面積,促進(jìn)水體與空氣的接觸,從而增加氧氣的溶解和擴(kuò)散,提高水體的氧含量。摻氣坎引入的氣泡可以通過曝氣作用增加水體的氧含量,氣泡的存在可以促進(jìn)水體的氣液交換,增加氧氣的溶解和擴(kuò)散速度,從而提高水體的氧含量。摻氣坎引入的氣泡可以增加水流的攪拌作用,從而增加水體的氧含量,氣泡的存在可以促進(jìn)水體的混合和運(yùn)動(dòng),使水體中的氧氣分布更加均勻,從而提高水體的氧含量。

3.5 減少水流沖刷

摻氣坎引入的氣泡可以在水流中形成一層氣泡帶,減緩水流的速度,降低水流的沖擊力,氣泡的存在會(huì)增加水流的阻力,從而減緩水流速度,降低水流沖刷的程度。摻氣坎引入的氣泡會(huì)消耗水流的能量,使水流的能量分散和消散,氣泡的存在會(huì)增加水流的阻力和湍流,從而減少水流的動(dòng)能,降低水流沖刷的強(qiáng)度。摻氣坎引入的氣泡可以分散水流的壓力,使水流的壓力更加均勻,氣泡的存在會(huì)影響水流的壓力分布,使水流壓力在溢洪道中更加均衡,減少了局部的高壓沖刷區(qū)域。通過控制摻氣坎的氣泡尺寸和分布方式,可以調(diào)節(jié)氣泡對(duì)水流的影響,進(jìn)一步減少水流的沖刷效應(yīng),合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化摻氣坎的氣泡參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)更好的減少水流沖刷效應(yīng)。

4 結(jié)語

本文基于CFD及數(shù)值計(jì)算平臺(tái)建立溢洪道幾何模型,并對(duì)增設(shè)摻氣坎對(duì)水力特性進(jìn)行模擬,對(duì)增設(shè)摻氣坎后的水力特性降低水位、減小水流速度、改善水流分布、增加水體含氧量、減小水流沖刷的變化情況進(jìn)行分析。研究結(jié)果有助于改進(jìn)溢洪道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,提高其水力性能和安全性。此外,本研究還為相關(guān)領(lǐng)域提供有關(guān)溢洪道的水力特性和摻氣坎的影響的重要參考資料。